Technologies biochimiques pour le traitement des eaux usées. Traitement biochimique des eaux usées
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| 1. Méthodes biochimiques de traitement des eaux usées. L'essence de la méthode. | |
| 2. Modèles de décomposition des substances organiques | 5 |
| 3. L'influence de divers facteurs sur le processus de purification biochimique | |
| 4. Classification des méthodes biochimiques | 8 |
| 4.1. Méthodes de nettoyage aérobie | 9 |
| 4.2. Méthodes de traitement anaérobie | 15 |
| Bibliographie | 17 |
1. Méthodes biochimiques de traitement des eaux usées. L'essence de la méthode.
L'oxydation biologique est une méthode de traitement des eaux usées largement utilisée, qui permet d'en éliminer de nombreuses substances organiques et certaines substances inorganiques (sulfure d'hydrogène, sulfures, ammoniac, nitrites, etc.). Le traitement biochimique des eaux usées repose sur la capacité des micro-organismes à utiliser les polluants organiques dissous et colloïdaux comme source de nutrition dans leurs processus vitaux. De nombreux types de polluants organiques provenant des eaux usées municipales et industrielles sont traités biologiquement, ce qui les soumet à une destruction partielle ou totale. Au contact des substances organiques, les micro-organismes les détruisent partiellement, les transformant en eau, dioxyde de carbone, ions nitrite et sulfate, etc. L'autre partie de la substance va à la formation de biomasse. Certaines substances organiques sont capables de s'oxyder facilement, tandis que d'autres ne s'oxydent pas du tout ou très lentement.
L'utilisation généralisée de la méthode biochimique est due à ses avantages : la capacité d'éliminer des eaux usées divers composés organiques et certains composés inorganiques présents dans l'eau à l'état dissous, colloïdal et non dissous, y compris les toxiques ; simplicité de conception matérielle, coûts d'exploitation relativement faibles et profondeur de nettoyage. Les inconvénients comprennent des coûts d'investissement élevés, la nécessité de respecter strictement le régime de nettoyage, l'effet toxique sur les micro-organismes d'un certain nombre de composés organiques et inorganiques et la nécessité de diluer les eaux usées en cas de concentrations élevées d'impuretés.
Pour déterminer la possibilité de fournir des eaux usées industrielles aux usines de traitement biochimique, des concentrations maximales de substances toxiques sont établies qui n'affectent pas les processus d'oxydation biochimique (MK b) et le fonctionnement des installations de traitement (MK bos). En l'absence de telles données, la possibilité d'une oxydation biochimique est établie par l'indicateur biochimique DBO p/COD. Pour les eaux usées domestiques, ce rapport est d'environ 0,86 et pour les eaux usées industrielles, il varie dans une fourchette très large : de 0 à 0,9. Les eaux usées présentant un faible rapport DBO p/DCO contiennent généralement des contaminants toxiques dont la pré-extraction peut augmenter ce rapport, c'est-à-dire offrent la possibilité d’une oxydation biochimique. Par conséquent, les eaux usées ne doivent pas contenir de substances toxiques ni d'impuretés de sels de métaux lourds. L'épuration biochimique est considérée comme complète si la DBO n de l'eau purifiée est inférieure à 20 mg/l et incomplète si la DBO n > 20 mg/l. Cette définition est conditionnelle, car même avec une purification biochimique complète, seule une libération partielle de l'eau de la quantité d'impuretés qu'elle contient se produit.
L'oxydation biologique est réalisée par une communauté de micro-organismes (biocénose), comprenant de nombreuses bactéries, protozoaires, ainsi que des algues, des champignons, etc., interconnectés en un seul complexe par des relations complexes (métabiose, symbiose et antagonisme). Le rôle dominant dans cette communauté appartient aux bactéries dont le nombre varie de 10 6 à 10 14 cellules pour 1 g de biomasse sèche. Dans le processus d’oxydation biochimique dans des conditions aérobies, la communauté de micro-organismes est appelée boue activée ou biofilm. Les boues activées sont constituées de micro-organismes vivants et d'un substrat solide et ressemblent en apparence à des flocons coagulants d'une couleur allant du brun blanchâtre au brun foncé. Les accumulations de bactéries dans les boues activées sont entourées d'une couche muqueuse (capsules) et sont appelées zooglea. Ils contribuent à améliorer la structure des boues, leur sédimentation et leur compactage.
La boue activée est un colloïde amphotère qui a une charge négative dans la plage de pH de 4 à 9 et qui possède une capacité d'adsorption élevée en raison de la surface totale développée des cellules bactériennes. La capacité d'adsorption des boues activées diminue avec le temps en raison de la saturation des eaux usées en contaminants. Le processus de récupération est dû à l'activité vitale des micro-organismes peuplant les boues activées et est appelé régénération. Malgré des différences significatives dans les eaux usées traitées, la composition chimique élémentaire des boues activées est assez proche, bien que non identique. Cette similitude est le résultat du point commun de sa base : les cellules bactériennes. La composition des cellules comprend H, N, S, C, O, P, des cendres, des protéines, ainsi que divers oligo-éléments - B, V, Fe, Co, Mn, Mo, Cu, etc. H, N, C et O forment un groupe substances organogènes, ces éléments pénètrent dans les cellules bactériennes sous forme d'eau, de protéines, de graisses et de glucides ; 80 à 85 % du poids des microbes est constitué d’eau.
La matière sèche des boues activées est un complexe de substances minérales (10-30%) et organiques (70-90%). La majeure partie des composés organiques sont des protéines. La composition des parties cendrées des cellules comprend des microéléments - Ca, K, Mg, S, Mn, Cu, Na, Fe, Zn, etc. De plus, pour construire une cellule bactérienne, des éléments biogènes sont nécessaires - phosphore, azote, potassium. La qualité des boues est déterminée par la vitesse de leur sédimentation et le degré d'épuration de l'eau. L'état des boues est caractérisé par l'indice de boues, qui est le rapport du volume de la partie sédimentée des boues activées à la masse des boues séchées (en grammes) après 30 minutes de décantation. Plus l'indice des boues est élevé, plus les boues se déposent mal.
2. Modèles de décomposition des substances organiques
Le mécanisme d'élimination des substances des eaux usées et de leur consommation par les micro-organismes est très complexe. En général, ce processus peut être divisé en trois étapes :
1) transfert de masse de matière du liquide à la surface cellulaire dû à la diffusion moléculaire et convective ;
2) diffusion d'une substance à travers la membrane semi-perméable de la surface cellulaire, résultant de la différence de concentrations de la substance à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule ;
3) le processus de transformation de substance (métabolisme) se produisant à l'intérieur de la cellule, avec libération d'énergie et synthèse d'une nouvelle substance cellulaire.
La vitesse de la première étape est déterminée par les lois de diffusion et les conditions hydrodynamiques de l'installation de traitement biochimique. La turbulence d'écoulement provoque la désintégration des flocons de boues activées en minuscules colonies de microbes et conduit à un renouvellement rapide de l'interface entre les micro-organismes et l'environnement.
Le processus de transfert d'une substance à travers des membranes cellulaires semi-perméables peut être réalisé de deux manières : en dissolvant une substance diffusante dans le matériau de la membrane, grâce à laquelle elle passe dans la cellule, ou en attachant une substance pénétrante à un support spécifique. protéine, dissolution du complexe résultant et diffusion dans la cellule, où le complexe se désintègre et la protéine-le transporteur est libéré pour compléter un nouveau cycle.
Le rôle principal dans le traitement des eaux usées est joué par les processus de transformation de substances à l'intérieur des cellules de micro-organismes, entraînant l'oxydation de la substance avec libération d'énergie (transformations cataboliques) et la synthèse de nouvelles substances protéiques, qui se produisent avec la dépense d'énergie (transformations anabolisantes).
Le taux de transformations chimiques et leur séquence sont déterminés par des enzymes qui agissent comme des catalyseurs et sont des composés protéiques complexes dont le poids moléculaire peut atteindre des centaines de milliers et des millions. Leur activité dépend de la température, du pH et de la présence de diverses substances dans les eaux usées.
Les réactions totales d'oxydation biochimique dans des conditions aérobies peuvent être présentées comme suit :
Oxydation de la matière organique
C x H y O z (x + 0,25y - 0,5z)O 2 ? xС0 2 + 0,5уН 2 О + ?Н ;
Synthèse de cellules bactériennes
C x H y O z + nNH 3 + n(x + 0,25у - 0,5z - 5)0 2 ? n(C 5 H 7 N0 2) + n(x-5)C0 2 + 0,5n(y-4)H 2 O - ?H;
Oxydation du matériel cellulaire
N(C 5 H 7 N0 2) + 5n0 2 ? 5nC0 2 + 2nH 2 0 + nNH 3 + ?Н.
Les transformations chimiques sont la source d'énergie nécessaire aux micro-organismes. Les organismes vivants ne peuvent utiliser que de l’énergie chimique liée. Le transporteur universel d’énergie dans la cellule est l’acide adénosine triphosphorique (ATP).
Les micro-organismes sont capables d'oxyder de nombreuses substances organiques, mais cela nécessite des temps d'adaptation différents. De nombreux alcools, glycols, acide benzoïque, acétone, glycérine, esters... sont facilement oxydés. Les composés nitrés, certains tensioactifs et composés organiques chlorés sont peu oxydés.
Le processus d'oxydation aérobie consomme de l'oxygène dissous dans les eaux usées. Pour saturer les eaux usées en oxygène, un processus d'aération est effectué, divisant le flux d'air en bulles qui, si possible, sont uniformément réparties dans les eaux usées. A partir des bulles d’air, l’oxygène est absorbé par l’eau puis transféré aux micro-organismes. Ce processus se déroule en deux étapes. Le premier implique le transfert d'oxygène des bulles d'air vers la masse du liquide, le second implique le transfert de l'oxygène absorbé de la masse du liquide vers les cellules de micro-organismes, principalement sous l'influence de pulsations turbulentes.
Le moyen le plus fiable d'augmenter l'apport d'oxygène aux eaux usées est d'augmenter l'intensité de la fragmentation du flux de gaz, c'est-à-dire réduisant la taille des bulles de gaz. Le taux de consommation d'oxygène dépend de nombreux facteurs interdépendants : la quantité de biomasse, le taux de croissance et l'activité physiologique des micro-organismes, le type et la concentration des nutriments, l'accumulation de produits métaboliques toxiques, la quantité et la nature des nutriments et la teneur en oxygène. dans l'eau.
3. L'influence de divers facteurs sur le processus de purification biochimique
L'efficacité du traitement biologique dépend d'un certain nombre de facteurs, dont certains peuvent être modifiés et régulés dans de larges limites, tandis que la régulation d'autres, comme par exemple la composition des eaux usées entrant dans le traitement, est pratiquement impossible. Les principaux facteurs qui déterminent le débit du système et le degré de traitement des eaux usées comprennent : la présence d'oxygène dans l'eau, l'uniformité du débit des eaux usées et la concentration d'impuretés dans celui-ci, la température, le pH de l'environnement, le mélange, la présence d'impuretés et de nutriments toxiques, concentration de biomasse, etc.
Les conditions de nettoyage les plus favorables sont les suivantes. La concentration de substances biochimiquement oxydables dans les eaux usées traitées ne doit pas dépasser la valeur admissible MK b ou MK bos, qui est généralement établie expérimentalement. Les eaux usées présentant des concentrations plus élevées doivent être diluées. Les limites de concentration maximales pour les substances entrant dans les installations de traitement biologique sont indiquées dans la littérature de référence.
L'alimentation des installations de traitement biochimique en oxygène de l'air doit être continue et en quantité telle que les eaux usées traitées sortant du décanteur secondaire en contiennent au moins 2 mg/l. Le taux de dissolution de l'oxygène dans l'eau ne doit pas être inférieur au taux de sa consommation par les micro-organismes. Durant la période initiale d'oxydation, le taux de consommation d'oxygène peut être des dizaines de fois plus élevé qu'à la fin du processus ; il dépend de la nature de la pollution de l'eau et est proportionnel à la quantité de biomasse.
La température optimale pour les processus aérobies se produisant dans les stations d'épuration des eaux usées est considérée comme étant comprise entre 20 et 30 °C, bien que la température optimale pour les bactéries de différents groupes varie considérablement, de -8 °C à +85 °C. Une augmentation de la température au-delà de la norme physiologique des micro-organismes entraîne leur mort, et une diminution ne fait que réduire l'activité des micro-organismes. À mesure que la température augmente, la solubilité de l'oxygène dans l'eau diminue, donc pendant la saison chaude, il est nécessaire de procéder à une aération plus intense, et en hiver, il est nécessaire de maintenir une concentration plus élevée de micro-organismes dans les boues en circulation et d'augmenter la durée d'aération.
La réaction environnementale optimale pour une partie importante des bactéries est neutre ou proche, bien qu'il existe des espèces qui se développent bien en milieu acide (champignons, levures) ou légèrement alcaline (actinomycètes).
Pour le processus normal de synthèse de la matière cellulaire, et donc pour un processus de traitement des eaux usées efficace, il doit y avoir une concentration suffisante de tous les nutriments - carbone organique (DBO), azote, phosphore.
En plus des éléments de base de la cellule (C, O, N, H), d'autres composants - microéléments (Mn, Cu, Zn, Mo, Mg, Co, etc.) sont nécessaires à sa construction en petites quantités. La teneur en ces éléments des eaux naturelles à partir desquelles les eaux usées sont formées est généralement suffisante pour l'oxydation biochimique. Un manque d'azote inhibe l'oxydation des polluants organiques et conduit à la formation de boues difficiles à décanter. Un manque de phosphore initie le développement de bactéries filamenteuses, qui sont la principale cause du gonflement des boues activées, d'une mauvaise décantation et évacuation des installations de traitement, d'une croissance plus lente des boues et d'une diminution de l'intensité de l'oxydation. Les éléments biogènes sont mieux absorbés sous forme de composés dans lesquels ils se trouvent dans les cellules microbiennes : l'azote - sous forme de NH 4 et le phosphore - sous forme de sels dans les acides phosphoriques. En cas de manque d'azote, de phosphore ou de potassium, divers engrais azotés, potassiques et phosphorés sont ajoutés aux eaux usées. Ces éléments étant contenus dans les eaux usées ménagères, de nombreux produits chimiques peuvent avoir un effet toxique sur les micro-organismes, perturbant leurs fonctions vitales. De telles substances, pénétrant dans la cellule bactérienne, interagissent avec ses composants et perturbent leurs fonctions, parmi lesquelles : S in, Ag, Cu, Co, Hg, Pv, etc. La quantité de particules en suspension ne doit pas dépasser 100 mg/l pour filtres biologiques et 150 mg/l pour les bassins d'aération.
L'intensité et l'efficacité du traitement des eaux usées dépendent non seulement des conditions de vie des micro-organismes, mais aussi de leur quantité, c'est-à-dire la dose de boues activées, qui est maintenue dans des bassins d'aération, est généralement de 2 à 4 g/l. L'augmentation de la concentration de micro-organismes dans les eaux usées permet d'accélérer le processus de traitement biologique, mais en même temps il est nécessaire d'augmenter la quantité d'oxygène dissous dans l'eau, limitée par l'état de saturation, et d'améliorer les conditions de transfert de masse. . Pour le traitement biologique, il est nécessaire d'utiliser des boues activées « jeunes » âgées de 2 à 3 jours. Il ne gonfle pas, résiste mieux aux variations de température et de pH et ses petits flocons se déposent mieux. Une condition importante pour améliorer le traitement biologique et réduire le volume des installations de traitement est la régénération des boues activées, qui consiste en leur aération en l'absence de substrat nutritif.
Pour créer les conditions les plus favorables au transfert massif de nutriments et d'oxygène à la surface des cellules microbiennes, un mélange d'eaux usées et de boues activées est nécessaire. Dans ce cas, la turbulisation du liquide entraîne la destruction des flocons de boues activées, le renouvellement de leur surface, un meilleur apport des cellules en nutriments et en oxygène, et crée des conditions de vie plus favorables aux micro-organismes.
4. Classification des méthodes biochimiques
Des méthodes aérobies et anaérobies de traitement biochimique sont connues. Les méthodes aérobies sont basées sur l'utilisation de groupes aérobies de micro-organismes dont la vie nécessite un flux constant d'oxygène et une température de 20 à 40°C. Lorsque les conditions de température et d'oxygène changent, la composition et le nombre de micro-organismes changent ; ils sont cultivés dans des boues activées ou un biofilm. Les méthodes anaérobies fonctionnent sans oxygène et sont principalement utilisées pour traiter les boues. L'ensemble des installations de traitement biologique peut être divisé en trois groupes en fonction de la localisation de la biomasse active :
1) la biomasse active est fixée sur un matériau fixe et les eaux usées glissent en couche mince sur le matériau de chargement - les biofiltres ;
2) la biomasse active se trouve dans l'eau à l'état libre (en suspension) - réservoirs d'aération, canaux d'oxydation de circulation, oxytanks ;
3) une combinaison des deux options pour la localisation de la biomasse - biofiltres submersibles, bioréservoirs, réservoirs d'aération avec charges.
Le traitement biologique peut également être réalisé dans des conditions naturelles dans des installations de traitement des sols et dans des bassins biologiques.
4.1. Méthodes de nettoyage aérobie.
Le traitement dans les champs d'irrigation, les champs de filtration et les étangs biologiques se distingue par des coûts de construction et d'exploitation relativement faibles, une capacité tampon lors des rejets d'eaux usées, des fluctuations du pH, de la température et un degré suffisant d'élimination des nutriments de l'eau. Les inconvénients incluent le caractère saisonnier du travail et le faible taux d'oxydation des contaminants. Les champs d'irrigation et les champs de filtration sont des méthodes de traitement des sols.
Champs d'irrigation sont des terres agricoles spécialement conçues pour le traitement des eaux usées et en même temps pour la culture de plantes. Dans les champs de filtration, l'épuration s'effectue sans la participation des plantes. Le traitement des eaux usées dans les champs d’irrigation repose sur l’influence de la microflore du sol, de l’oxygène de l’air, du soleil et de l’activité des plantes. Une couche active de sol de 1,5 à 2 m d'épaisseur est impliquée à des degrés divers dans le traitement des eaux usées. La minéralisation de la matière organique se produit principalement dans la couche supérieure d'un demi-mètre de sol. Dans le même temps, la fertilité du sol augmente, ce qui est associé à son enrichissement en nitrates, phosphore et potassium. Cependant, la composition totale en sel des eaux usées ne doit pas dépasser 4 à 6 g/l pour éviter la salinisation du sol. Les eaux usées sont fournies périodiquement aux champs d’irrigation à des intervalles de 5 jours. En hiver, dans les régions aux hivers froids, les eaux usées sont gelées. Pour collecter les eaux usées utilisées dans les champs d'irrigation, des bassins de stockage d'une capacité égale à six mois d'accumulation d'eau sont utilisés.
Biologique étangs- les réservoirs créés artificiellement ou naturels dans lesquels le traitement des eaux usées s'effectue sous l'influence de processus naturels d'auto-épuration. Ils peuvent être utilisés aussi bien pour l’autotraitement que pour le post-traitement en profondeur des eaux usées ayant subi un traitement biologique. Ce sont des réservoirs peu profonds (0,5-1 m), bien chauffés par le soleil et peuplés d'organismes aquatiques.
Dans les processus se déroulant dans les bioétangs, on observe un cycle naturel complet de destruction des polluants organiques. L'impact de divers facteurs sur le fonctionnement des étangs peut y créer des conditions à la fois aérobies et aérobies-anaérobies. Les étangs qui fonctionnent constamment dans des conditions aérobies sont dits aérés, tandis que les étangs aux conditions variables sont dits facultatifs.
Les conditions aérobies dans les étangs peuvent être maintenues soit par l'apport naturel d'oxygène provenant de l'atmosphère et de la photosynthèse, soit par l'introduction forcée d'air dans l'eau. Par conséquent, une distinction est faite entre les étangs à aération naturelle et artificielle. Le temps de séjour de l'eau dans les bassins à aération naturelle varie de 7 à 60 jours. Avec les eaux usées, les boues activées, qui sont des germes, sont éliminées des bassins de décantation secondaires. L'efficacité du nettoyage des étangs est déterminée par la période de l'année ; pendant la période froide, elle diminue fortement.
Les bassins avec aération artificielle ont un volume nettement plus petit et le degré de purification requis est généralement atteint en 1 à 3 jours.
Biofiltres - les structures artificielles de traitement biologique - sont des structures rondes ou rectangulaires en brique ou en béton armé, chargées de matériau filtrant, à la surface desquelles se développe un biofilm. Les eaux usées sont filtrées à travers une couche de chargement recouverte d'un film de micro-organismes, grâce à l'activité vitale de laquelle l'épuration est effectuée. Le biofilm usé (mort) est lavé par les eaux usées et retiré du biofiltre.
En fonction du type de matériau de chargement, les biofiltres sont divisés en deux catégories : à chargement volumétrique (granulaire) et plat. Comme chargement granulaire, on utilise de la pierre concassée, du gravier, des cailloux, des scories, de l'argile expansée, des anneaux en céramique et en plastique, des cubes, des boules, des cylindres, etc. Le chargement à plat consiste en des treillis métalliques, en tissu et en plastique, des grilles, des blocs, des tôles ondulées, des films, etc., souvent enroulés en rouleaux.
Les biofiltres à chargement volumétrique sont divisés en goutte à goutte, à haute charge et en tour. Les biofiltres goutte à goutte sont de conception la plus simple, ils sont chargés de fractions fines d'une hauteur de 1 à 2 m et ont une capacité allant jusqu'à 1 000 m 3 /jour ; ils atteignent un degré élevé de purification. Dans les filtres à charge élevée, des pièces de chargement de plus grande taille sont utilisées et leur hauteur est de 2 à 4 m. La hauteur de chargement dans les filtres à tour atteint 8 à 16 m. Les deux derniers types de filtres sont utilisés à des débits d'eaux usées de jusqu'à 50 000 m 3 / jour, aussi bien pour un traitement biologique complet qu'incomplet.
Les filtres biologiques à chargement plat ont une capacité d'oxydation nettement supérieure à celle des filtres à chargement volumétrique. La capacité oxydante est la vitesse de dissolution de l'oxygène lors de l'aération d'eau complètement désoxygénée à pression atmosphérique et température de 20 °C (g O 2 /h)); A proximité se trouve le concept de pouvoir oxydant - le taux de réactions d'oxydation des polluants (g O 2 / (m 3 h)).
Une position intermédiaire entre les bassins d'aération et les biofiltres est occupée par les biofiltres submersibles et les bioréservoirs-biofiltres.
Les biofiltres submersibles (à disques) sont un réservoir dans lequel se trouve un arbre rotatif sur lequel sont montés des disques, alternativement en contact avec les eaux usées et l'air. La taille des disques est de 0,5 à 3 m, la distance entre eux est de 10 à 20 mm, ils peuvent être en métal, en plastique et en amiante-ciment, le nombre de disques sur l'arbre est de 20 à 200 . Un biofiltre de bioréservoir est un boîtier qui contient des éléments de chargement de plateaux disposés en damier. Ces éléments sont irrigués par le haut avec de l'eau qui, les remplissant, s'écoule par les bords. Un biofilm se forme sur les surfaces extérieures des éléments et une biomasse ressemblant à de la boue activée se forme à l'intérieur. La conception offre des performances et une efficacité de nettoyage élevées.
Basés sur le principe du flux d'air dans l'épaisseur de la charge aérée, les biofiltres peuvent être à aération naturelle et forcée.
Pendant la période de démarrage des filtres biologiques, un film biologique se développe sur les morceaux d'aliment. Le principal agent de ce film est la population microbienne. Les micro-organismes du biofilm utilisent les impuretés organiques des eaux usées comme sources de nutrition et de respiration, et la masse du biofilm augmente. À mesure que l'épaisseur du film augmente, il meurt et est emporté par les eaux usées. L'eau purifiée dans le biofiltre, ainsi que les particules de biofilm mort, pénètrent dans le décanteur secondaire. Le recyclage des matériaux biologiquement actifs n'est généralement pas prévu en raison de la capacité de rétention élevée de la structure massique du biofilm.
Lors de la réception d'eaux usées avec une DBO > 300 mg/l, afin d'éviter un envasement fréquent de la surface du biofiltre, une recirculation est prévue - le retour d'une partie de l'eau purifiée pour diluer les eaux usées d'origine. La recirculation de l'eau purifiée augmente la teneur en oxygène dissous dans le mélange, maintient une charge hydraulique plus uniforme et égalise la concentration de biofilm sur la hauteur de la structure. Cependant, cela augmente le besoin en volumes de décanteurs et augmente la consommation d'énergie pour le pompage de l'eau.
La distribution des eaux usées sur la surface du biofiltre est effectuée par des arroseurs fixes (arroseurs) ou des arroseurs à jet rotatif avec alimentation en eau cyclique pendant 5 à 10 minutes.
L'utilisation des biofiltres est limitée par la possibilité de leur envasement, une diminution du pouvoir oxydant pendant le fonctionnement, l'apparition d'odeurs désagréables et la difficulté de croissance uniforme du film.
Nettoyage dans des bassins d'aération. Le traitement biologique aérobie de grands volumes d'eaux usées est effectué dans des bassins d'aération - des structures aérées en béton armé avec des boues actives flottantes dans le volume d'eau traitée, dont la biopopulation utilise la pollution des eaux usées pour vivre.
Les chars Aero peuvent être classés selon les critères suivants :
1) selon la structure d'écoulement - bassins d'aération-déplaceurs, bassins d'aération-mélangeurs et bassins d'aération avec entrée dispersée de liquide résiduaire (type intermédiaire) ;
2) selon la méthode de régénération des boues activées - bassins d'aération avec régénérateurs de boues séparés ou combinés ;
3) selon la charge en boues activées - charge élevée (pour traitement incomplet), ordinaire et faible charge (avec aération prolongée) ;
4) par le nombre d'étapes - à un, deux et plusieurs étages ;
5) selon le mode d'apport des eaux usées - débitant, semi-circulant, à niveau de fonctionnement variable, contact ;
6) par type d'aération - pneumatique, mécanique, combinée hydrodynamique ou pneumomécanique ;
7) selon les caractéristiques de conception - réservoirs rectangulaires, ronds, combinés, à puits, filtres, réservoirs de flottation, etc.
Les Aerotanks sont utilisés dans une gamme extrêmement large de débits d’eaux usées allant de plusieurs centaines à des millions de mètres cubes par jour.
Dans les bassins-mélangeurs d'aération, la charge sur les boues et le taux d'oxydation des contaminants sont pratiquement inchangés sur toute la longueur de la structure. Ils sont particulièrement adaptés au traitement des eaux usées industrielles concentrées (DBOp jusqu'à 1 000 mg/l) présentant des fluctuations importantes de leur débit et de leur concentration en contaminants. Dans les bassins d'aération-déplaceurs, la charge de contaminants sur les boues et la vitesse de leur oxydation varient des valeurs les plus élevées au début de la construction aux plus faibles à sa fin. De telles structures sont utilisées si une adaptation suffisamment aisée des boues activées est assurée. Dans les bassins d'aération avec une alimentation en eau dispersée sur toute sa longueur, les charges unitaires sur les boues diminuent et deviennent uniformes. De telles installations sont utilisées pour traiter des mélanges d’eaux usées industrielles et municipales. Le fonctionnement du bassin d'aération est inextricablement lié au fonctionnement normal du bassin de décantation secondaire, à partir duquel les boues activées de retour sont pompées en continu vers le bassin d'aération. Au lieu d'un décanteur secondaire, un flotteur peut être utilisé pour séparer les boues de l'eau.
Dans un système en une seule étape sans régénérateur, il est impossible d'intensifier le processus de traitement des eaux usées. En présence d'un régénérateur, les processus d'oxydation y aboutissent et les boues acquièrent leurs propriétés originelles. Des schémas à une étape sans régénération des boues sont utilisés à une DBO de 150 mg/l. Le schéma en deux étapes est utilisé lorsque la concentration initiale de polluants organiques dans l'eau est élevée, ainsi que lorsque l'eau contient des substances dont les taux d'oxydation varient fortement. Lors de la première étape du traitement, la DBO des eaux usées est réduite de 50 à 70 %.
Pour assurer le déroulement normal du processus d'oxydation biologique, de l'air doit être fourni en permanence au bassin d'aération. Le système d'aération est un complexe de structures et d'équipements spéciaux qui alimentent le liquide en oxygène, maintiennent les boues en suspension et mélangent constamment les eaux usées avec les boues. Pour la plupart des types de bassins d'aération, le système d'aération garantit que ces fonctions sont exécutées simultanément. Basés sur la méthode de dispersion de l'air dans l'eau, les systèmes d'aération suivants sont utilisés en pratique : pneumatique, mécanique, pneumomécanique et à jet. Dans notre pays, le système d'aération pneumatique s'est répandu.
Un bassin d'aération moderne est une structure technologiquement flexible, qui est un réservoir en béton armé de type couloir équipé d'un système d'aération. La profondeur de travail des bassins d'aération est comprise entre 3 et 6 m, le rapport entre la largeur du couloir et la profondeur de travail est de 1:1 à 2:1. Pour les bassins d'aération et les régénérateurs, le nombre de sections doit être d'au moins deux ; avec une productivité allant jusqu'à 50 000 m 3 /jour, 4 à 6 sections sont affectées, avec une productivité plus élevée de 8 à 10 sections, toutes fonctionnant. Chaque section se compose de 2 à 4 couloirs.
Les bassins d'aération à déplacement sont de longues structures à couloir dans lesquelles de l'eau et des boues activées sont amenées au début de la structure, et le mélange de boues est évacué à la fin de celle-ci. Dans ce cas, il n'y a pratiquement pas de mélange de l'eau entrante avec l'eau précédemment reçue. De tels bassins d'aération sont constitués de plusieurs couloirs et peuvent être avec ou sans régénérateur intégré. La longueur de ces bassins d'aération atteint 50 à 150 m et leur volume est de 1,5 à 30 000 m 3. Dans une large mesure, le mode de déplacement correspond à la conception des bassins d'aération de type cellulaire : ils sont de structure rectangulaire, divisée en plusieurs compartiments par des cloisons transversales. Le mélange du premier compartiment pénètre dans le deuxième (par le bas), du deuxième au troisième il s'écoule à travers la cloison (par le haut), etc. Dans chaque cellule, un mode de mélange complet est établi, et la somme d'un certain nombre de mélangeurs séquentiels constitue un déplaceur presque idéal. Cela empêche le mouvement de retour de l'eau et il n'y a pas de mélange longitudinal.
Les eaux usées et les boues dans les bassins d'aération-mélangeurs sont alimentées et évacuées uniformément le long des côtés longs de la structure. On pense que le mélange entrant se mélange très rapidement (dans les calculs instantanément) avec le contenu de l'ensemble du réservoir d'aération. Cela permet de répartir uniformément les contaminants organiques et l'oxygène dissous et d'assurer le fonctionnement de la structure dans des conditions constantes et des charges élevées. La largeur du couloir du mélangeur-réservoir d'aération est de 3 à 9 m, le nombre de couloirs est de 2 à 4, la longueur peut atteindre 150 m.
Par rapport aux bassins d'aération-déplaceurs, les bassins d'aération-mélangeurs ont une concentration résiduelle élevée d'impuretés dans l'eau purifiée. Par conséquent, il est conseillé de les utiliser pour le traitement des eaux usées concentrées dans la première étape et des bassins d'aération-déplaceurs - dans la deuxième étape.
Réservoirs aéronautiques- les mélangeurs peuvent être emboîtés avec des décanteurs secondaires et réalisés séparément de ceux-ci. Les bassins d'aéro-décantation (aéro-accélérateurs) sont compacts, permettent d'augmenter la recirculation du mélange de boues sans recourir à des stations de pompage spéciales, d'améliorer le régime d'oxygène du bassin de décantation et d'augmenter la dose de boues à 3-5 g/ l, augmentant ainsi le pouvoir oxydant.
Les réservoirs d'aération de type intermédiaire combinent des éléments de réservoirs d'aération à déplacement et des réservoirs d'aération mélangeurs. Il s'agit notamment de bassins d'aération avec un apport d'eau dispersé et un apport concentré de boues activées, ainsi qu'une cascade de bassins d'aération-mélangeurs. Ils créent les conditions d'une concentration moyenne de boues activées plus élevée que dans les bassins d'aération-déplaceurs, et offrent une qualité de nettoyage supérieure à celle des bassins d'aération-mélangeurs. Ils sont réalisés sous la forme d'ouvrages à deux ou quatre couloirs. Les coûts d'investissement pour la construction de tels réservoirs d'aération sont réduits d'au moins 15 % par rapport à ceux évoqués ci-dessus, tout en maintenant une qualité de nettoyage élevée.
Les Oxytanks sont destinés au traitement biochimique des eaux usées, où l'oxygène technique est utilisé à la place de l'air. Grâce à cela, les conditions sont créées pour augmenter la dose de boues activées (jusqu'à 6-10 g/l), la consommation d'énergie pour l'aération est réduite, le pouvoir oxydatif est augmenté (5 à 10 fois supérieur à celui des bassins d'aération) et l'efficacité de l'utilisation de l'oxygène est de 90 à 95 %.
Les schémas typiques de traitement biochimique comprennent, en règle générale, un certain nombre d'installations de moyenne des eaux usées, leur traitement mécanique, l'installation de traitement biologique proprement dite, les dispositifs de préparation et de dosage des réactifs, le post-traitement des eaux usées et le traitement des boues. Les schémas peuvent être à une ou plusieurs étapes. Selon le schéma ci-dessus, un traitement conjoint des eaux usées industrielles et domestiques est effectué. Avec un tel nettoyage, le processus se déroule de manière plus régulière et plus complète, car Les eaux usées domestiques contiennent des nutriments et diluent également les eaux usées industrielles. Les eaux usées, prétraitées dans des installations de traitement mécanique, sont envoyées pour traitement biologique dans des bassins d'aération équipés de régénérateurs. Les boues activées rejetées dans les décanteurs secondaires sont divisées en deux flux : les boues en circulation sont pompées dans le régénérateur à l'aide d'une station de pompage, puis dans le bassin d'aération ; les boues excédentaires sont envoyées pour clarification vers les décanteurs primaires. L'eau purifiée est chlorée et envoyée au réservoir ou renvoyée à la production. Les boues séparées sont traitées dans des digesteurs et déshydratées sur des lits de boues. Les gaz libérés lors de la digestion sont brûlés dans la chaufferie.
4.2. Méthodes de nettoyage anaérobie.
Un processus de digestion anaérobie peut être utilisé pour neutraliser les boues d’épuration et prétraiter les eaux usées concentrées. Selon le type de produit final, on distingue les types de fermentation suivants : alcoolique, acide propionique, acide lactique, méthane, etc. Les produits finaux de fermentation sont les alcools, les acides, l'acétone, les gaz de fermentation (CO 2, H 2, CH 4).
La fermentation méthanique est utilisée pour traiter les eaux usées. Ce processus est complexe et comprend de nombreuses étapes ; dans la fermentation méthanique, on distingue deux phases. Dans la première phase de fermentation (acide), les substances organiques complexes sont décomposées avec formation d'acides organiques, ainsi que d'alcools, d'ammoniac, d'acétone, H 2 S, CO 2, H 2, etc., ce qui entraîne les eaux usées sont acidifiées à pH = 5-6. Puis, sous l'action des bactéries méthanes (phase alcaline), les acides sont détruits avec formation de CH 4 et CO 2. On pense que les taux de transformation dans les deux phases sont les mêmes. En moyenne, le degré de décomposition des composés organiques est de 40 %.
Les processus de fermentation du méthane sont réalisés dans des digesteurs - des cuves hermétiquement fermées équipées de dispositifs d'introduction des boues traitées et d'élimination des boues fermentées.
Les processus de fermentation sont effectués dans des conditions mésophiles (30-35 °C) et thermophiles (50-55 °C). Dans des conditions thermophiles, la destruction des composés organiques se produit plus intensément. Le digesteur est une cuve en béton armé à fond conique, équipée d'un dispositif de captage et d'évacuation des gaz, et également équipée d'un réchauffeur et d'un agitateur. Des digesteurs d'un diamètre allant jusqu'à 20 m et d'un volume utile allant jusqu'à 4 000 m 3 sont utilisés.
Le processus de fermentation des eaux usées s'effectue en deux étapes. Dans ce cas, une partie des sédiments du deuxième digesteur est renvoyée vers le premier, où un bon mélange est assuré. Pendant la fermentation, des gaz sont libérés avec une teneur moyenne de CH 4 - 63-65%, CO 2 - 32-34%. Le pouvoir calorifique du gaz est de 23 MJ/kg ; il est brûlé dans les fours des chaudières à vapeur. La vapeur obtenue est utilisée pour chauffer les sédiments dans les digesteurs ou à d'autres fins.
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Ces méthodes sont utilisées pour purifier les eaux usées domestiques et industrielles de nombreuses substances organiques solubles et certaines substances inorganiques (sulfure d'hydrogène, ammoniac, sulfures, nitrites, etc.). Le processus de purification est basé sur la capacité des micro-organismes à utiliser les substances répertoriées pour se nourrir au cours de la vie - les substances organiques pour les micro-organismes sont une source de carbone. Le traitement biochimique des eaux usées peut avoir lieu dans des conditions aérobies (oxydation biochimique) et anaérobies (décomposition biologique).
Traitement anaérobie se produit sous l'influence de micro-organismes anaérobies, en conséquence, la quantité de polluants organiques contenus dans les eaux usées est réduite en raison de leur conversion en gaz (méthane, dioxyde de carbone) et en sels dissous, ainsi que de la croissance de la biomasse des plantes anaérobies. La décomposition se déroule en 2 phases : d'abord, la matière organique est transformée en acides organiques et alcools (le premier groupe de micro-organismes), puis les acides organiques et les alcools en méthane et en dioxyde de carbone (le deuxième groupe de micro-organismes).
Le processus dans son ensemble dépend du maintien d'un environnement favorable aux deux groupes de micro-organismes, et l'équilibre entre les phases doit être tel que les acides soient éliminés au même rythme qu'ils se forment. La méthode anaérobie est principalement utilisée pour la digestion des excès de boues activées générés lors du traitement anaérobie.
La purification en conditions anaérobies se produit en présence d'oxygène dissous dans l'eau, ce qui représente une modification du processus naturel d'auto-purification des réservoirs existant dans la nature. Pour le biotraitement des eaux usées industrielles, les procédés les plus courants sont ceux utilisant des boues activées, réalisés dans des bassins d'aération. Les boues activées sont créées en raison de particules en suspension qui ne sont pas retenues lors de la décantation et de substances colloïdales sur lesquelles des micro-organismes se multiplient. Les boues activées dans un liquide aéré accélèrent considérablement les processus d'oxydation et créent des conditions propices aux processus d'adsorption de substances organiques.
La destruction des substances organiques en dioxyde de carbone et autres produits d'oxydation inoffensifs se produit en raison de la biocénose, c'est-à-dire un complexe de toutes les bactéries et micro-organismes protozoaires se développant dans une structure donnée. La consommation des composants organiques des eaux usées par les micro-organismes se déroule en 3 étapes : 1) transfert massif de matière organique et d'oxygène du liquide vers la surface cellulaire ; 2) diffusion de matière et d'oxygène à travers la membrane cellulaire semi-perméable ; 3) métabolisme des produits diffusés, accompagné d'une augmentation de la biomasse, d'une libération d'énergie, de dioxyde de carbone, etc.
L'intensité et l'efficacité du traitement biologique des eaux usées sont déterminées par le taux de décomposition bactérienne.
Le traitement biologique des eaux usées peut être réalisé dans des conditions naturelles ou artificielles.
Dans des conditions naturelles, des parcelles spécialement aménagées (champs d'irrigation et de filtration) ou des étangs biologiques sont utilisés. Ce sont des réservoirs en terre de 0,5¸1 m de profondeur, dans lesquels se déroulent les mêmes processus que lors de l'auto-épuration d'un réservoir.
Champs d'irrigation– des terrains spécialement aménagés et utilisés simultanément pour le traitement des eaux usées et à des fins agricoles, c'est-à-dire pour la culture de céréales et d'ensilage, d'herbes aromatiques, de légumes, ainsi que pour la plantation d'arbustes et d'arbres. Les champs de filtration sont destinés uniquement au traitement biologique des eaux usées.
Les champs d'irrigation et les étangs biologiques sont situés sur un terrain présentant une pente en gradins afin que l'eau s'écoule par gravité d'une zone à l'autre. Le nettoyage des contaminants se produit par le processus de filtration de l'eau à travers le sol, dans lequel les particules en suspension et colloïdales sont retenues, formant un film dans les pores du sol. La pénétration de l'oxygène dans les couches profondes du sol est difficile, de sorte que l'oxydation la plus sévère se produit dans les couches supérieures du sol, c'est-à-dire à une profondeur allant jusqu'à 0,2¸0,4 m.
Étangs biologiques– conçu pour le traitement biologique et pour le post-traitement des eaux usées en combinaison avec d'autres installations de traitement. Ils sont réalisés sous la forme d'une cascade d'étangs, composée de 3 à 5 marches. Le procédé de traitement des eaux usées est mis en œuvre selon le schéma suivant : les bactéries utilisent l'oxygène libéré par les algues lors de la photosynthèse, ainsi que l'oxygène de l'air, pour oxyder les polluants. Les algues consomment du dioxyde de carbone, des phosphates et de l'azote ammoniacal libérés lors de la décomposition biochimique de la matière organique. Par conséquent, pour le fonctionnement normal des étangs, il est nécessaire de maintenir des valeurs de pH et une température optimales des eaux usées. La température doit être d'au moins 6°C, les bassins ne sont donc pas utilisés en hiver.
Il existe des étangs avec aération naturelle et artificielle. La profondeur des étangs avec aération naturelle de surface ne dépasse pas 1 M. Lors de l'aération artificielle des étangs à l'aide d'aérateurs mécaniques ou en soufflant de l'air à travers la colonne d'eau, leur profondeur augmente jusqu'à 3 M. L'utilisation de l'aération artificielle accélère les processus de purification de l'eau. Les inconvénients des étangs sont une faible capacité oxydante, le caractère saisonnier de leur fonctionnement et la nécessité de grandes superficies.
Installations de traitement biologique artificiel En fonction de la localisation de la biomasse active, elles peuvent être divisées en 2 groupes : 1) la biomasse active est en suspension dans les eaux usées traitées (aérotanks, oxytanks) ; 2) la biomasse active est fixée sur un matériau fixe et les eaux usées s'écoulent autour d'elle sous forme d'une fine couche (biofiltres).
Réservoirs aéronautiques Ce sont des cuves en béton armé, de plan rectangulaire, divisées par des cloisons en couloirs séparés.
Les eaux usées issues des installations de traitement mécanique sont mélangées aux boues activées de retour (biocénose) et, passant successivement dans les couloirs du bassin d'aération, pénètrent dans le bassin de décantation secondaire. Le temps de séjour des eaux usées traitées dans le bassin d'aération, selon leur composition, varie de 6 à 12 heures. Pendant ce temps, la majeure partie des polluants organiques est traitée par la biocénose des boues activées. Pour maintenir les boues activées en suspension, les mélanger intensément et saturer le mélange traité en oxygène de l'air, divers systèmes d'aération (généralement mécaniques ou pneumatiques) sont installés dans les bassins d'aération. Depuis les bassins d'aération, le mélange d'eaux usées traitées et de boues activées pénètre dans le décanteur secondaire, d'où les boues activées décantées au fond sont évacuées dans le réservoir de la station de pompage à l'aide de dispositifs spéciaux (pompes à boues), et le purifié les eaux usées sont fournies soit pour une purification ultérieure, soit désinfectées. Au cours du processus d'oxydation biologique, la biomasse des boues activées augmente. Pour créer des conditions optimales pour sa durée de vie, les boues en excès sont retirées du système et envoyées vers des installations de traitement des boues, et la majeure partie sous forme de boues de retour est renvoyée vers le bassin d'aération.
Les complexes d'installations de traitement, qui comprennent des bassins d'aération, ont une capacité de plusieurs dizaines à 2¸3 millions de m3 d'eaux usées par jour.
Au lieu de l'air, de l'oxygène pur peut être fourni pour l'aération pneumatique des eaux usées. Pour ce processus, des oxytanks sont utilisés, dont la conception est quelque peu différente des réservoirs d'aération. La capacité oxydative des oxytenks est 3 fois supérieure.
Biofiltres trouver une large application avec une consommation quotidienne d'eaux usées domestiques et industrielles allant jusqu'à 20 à 30 000 m 3 par jour. Le composant le plus important des biofiltres est le matériau de chargement. En fonction du type de matériau de chargement, ils sont divisés en 2 catégories : à chargement volumétrique et plat. Les biofiltres sont des réservoirs ronds et rectangulaires remplis de matériaux de chargement. Le matériau volumétrique constitué de gravier, d'argile expansée, de laitier d'une granulométrie de 15¸80 mm, après tri des fractions, est rempli d'une couche de 2¸4 m de hauteur. Le matériau plan est réalisé sous forme de dur (anneau, éléments tubulaires en plastique, céramique, métal) et des blocs souples (tissu roulé), qui sont montés dans le corps du biofiltre en une couche de 8 m d'épaisseur.
Les eaux usées amenées au-dessus de la surface du matériau de chargement sont réparties uniformément à travers celui-ci, tandis qu'un film biologique (biocénose) se forme à la surface du matériau, semblable aux boues activées dans les bassins d'aération. Le matériau de chargement est supporté par un fond en treillis, à travers les trous desquels les eaux usées traitées pénètrent dans le fond solide du biofiltre et sont évacuées du biofiltre dans un bassin de décantation secondaire à l'aide de plateaux.
Les biofiltres à chargement volumétrique sont efficaces pour un traitement biologique complet. Les biofiltres à chargement plat peuvent également être utilisés pour un traitement biologique complet, mais il est plus judicieux de les utiliser comme première étape d'un traitement biologique en deux étapes en cas d'émissions éclatées d'eaux usées industrielles hautement concentrées ou lors de la reconstruction de complexes de traitement.
Lors de l'exploitation d'installations de traitement biologique, il est nécessaire de respecter les réglementations technologiques de leur fonctionnement, pour éviter les surcharges et surtout les volées de composants toxiques, car de telles violations peuvent avoir un effet néfaste sur la vie des organismes. Par conséquent, dans les eaux usées destinées au traitement biologique, la teneur en pétrole et en produits pétroliers ne doit pas dépasser 25 mg/l, les tensioactifs - pas plus de 50 mg/l, les sels dissous - pas plus de 10 g/l.
Le traitement biologique ne garantit pas la destruction complète de toutes les bactéries pathogènes présentes dans les eaux usées. Par conséquent, l'eau est ensuite désinfectée avec du chlore liquide ou de l'eau de Javel, par ozonation, par rayonnement ultraviolet, par électrolyse ou par ultrasons.
La désinfection des eaux usées traitées est réalisée pour détruire les bactéries pathogènes, virus et micro-organismes qu'elles contiennent ; l'effet de désinfection devrait être presque 100 %. Par conséquent, après une purification complète, des composés chlorés ou d'autres agents oxydants puissants (ozone) sont introduits dans les eaux usées, ce qui protège les plans d'eau de l'entrée d'agents pathogènes.
Les plus dangereux pour les eaux naturelles, la santé humaine, les animaux et les poissons sont divers déchets radioactifs générés dans les centrales nucléaires lors du traitement du combustible nucléaire. Le traitement des eaux usées contenant une contamination radioactive dépend du niveau d'activité et de la salinité. Les eaux à faible teneur en salinité sont traitées avec des filtres échangeurs d'ions et des filtres alluviaux. En cas de teneur élevée en sel, des méthodes d'électrodialyse et d'évaporation sont utilisées et les contaminants résiduels sont éliminés à l'aide d'unités d'échange d'ions. Toutes les eaux usées dont la radioactivité est supérieure au niveau autorisé sont évacuées vers des réservoirs souterrains spéciaux ou pompées dans des bassins de drainage souterrains profonds.
Les effluents contiennent des substances d'origine organique et inorganique, avec beaucoup plus de substances organiques. Et si le moyen le plus simple de se débarrasser des inclusions inorganiques est mécaniquement, d'autres méthodes sont nécessaires pour éliminer les impuretés organiques. L’un des principaux est le traitement biologique des eaux usées. Vous découvrirez ses caractéristiques, ses variétés et ses technologies dans cet article.
L’eau, c’est la vie, mais nous la consommons propre et la rendons sale. Si les canalisations ne sont pas nettoyées, le temps de la « précieuse humidité » décrite par de nombreux écrivains de science-fiction viendra très bientôt. La nature peut purifier l’eau par elle-même, mais ces processus se déroulent très lentement. Le nombre de personnes augmente, le volume de consommation d'eau augmente également, de sorte que le problème du traitement organisé et approfondi des eaux usées est particulièrement aigu. La technologie de purification de l’eau la plus efficace est biologique. Mais avant d’envisager les principes de base de son fonctionnement, il faut comprendre la composition de l’eau.
Composition des eaux usées domestiques
Toute maison disposant de l’eau courante dispose également d’un système d’égouts. Il assure les processus normaux de transport des eaux usées des appartements et des maisons vers les stations d'épuration. Les canalisations d’égout contiennent de l’eau ordinaire, mais elle est polluée. Il ne contient que 1% d'impuretés, mais c'est cela qui rend les eaux usées impropres à une utilisation ultérieure. Ce n’est qu’après purification que l’eau peut être réutilisée pour la consommation et l’usage quotidien.
La composition exacte des eaux usées ne peut pas être nommée, car elle dépend de l'endroit où un échantillon spécial est prélevé, mais même au même endroit, la quantité et l'ensemble des impuretés peuvent varier. Le plus souvent, l'eau contient des particules solides, des impuretés biologiques et des inclusions inorganiques. Avec la matière inorganique, tout est simple - même le filtre le plus simple l'élimine, mais avec la matière organique, vous devrez vous battre. Si rien n'est fait, ces substances commencent à se désintégrer et forment un sédiment en décomposition (d'où la caractéristique désagréable « odeur d'égout »). De plus, non seulement la matière organique décomposée commence à pourrir, mais aussi l'eau.
En résumé, les eaux usées contiennent des graisses, des tensioactifs, des phosphates, des composés chlorés et azotés, des produits pétroliers et des sulfates. Ils ne peuvent pas disparaître de l'eau d'eux-mêmes - ils ont besoin d'un nettoyage complet. Le problème est particulièrement aigu dans les maisons dotées d'un système autonome de drainage et d'approvisionnement en eau, car chaque site dispose d'un puisard et d'un puits d'eau. Si les canalisations ne sont pas nettoyées, elles peuvent se retrouver dans le robinet – et la situation peut mettre la vie en danger.
Méthodes de traitement des eaux usées domestiques et industrielles
Les eaux usées peuvent s’auto-épurer dans des conditions naturelles, mais seulement si leur volume est faible. Le secteur industriel étant aujourd’hui très développé, d’importants volumes d’eaux usées sont générés à l’exutoire. Et pour obtenir de l'eau propre, une personne doit résoudre le problème des eaux usées, c'est-à-dire les purifier. Il existe plusieurs méthodes de traitement des eaux usées : mécaniques, chimiques, physico-chimiques et biologiques. Examinons de plus près les caractéristiques de chacun d'eux.
Le nettoyage mécanique implique l'utilisation de techniques telles que la filtration et la sédimentation. Les principaux outils sont des grilles, des tamis, des filtres, des pièges et des pièges. Lorsque l'eau subit une purification primaire, elle pénètre dans un bassin de décantation - un récipient conçu pour décanter les eaux usées avec formation de sédiments. Le nettoyage mécanique est utilisé dans la plupart des systèmes modernes, mais rarement comme méthode indépendante. Le fait est qu’il ne convient pas pour éliminer les composants chimiques et les impuretés organiques.
La purification chimique est effectuée à l'aide de réactifs - des produits chimiques spéciaux qui réagissent avec les impuretés contenues dans l'eau et forment un précipité insoluble. De ce fait, la teneur en matières en suspension solubles est réduite de 25 % et celle en matières en suspension insolubles de 95 %.
L'épuration physico-chimique fait appel à des techniques telles que l'oxydation, la coagulation, l'extraction, etc. Ces procédés permettent d'éliminer les inclusions inorganiques de l'eau et de détruire les impuretés organiques peu oxydées. La méthode de nettoyage physique et chimique la plus populaire est l’électrolyse.
Le traitement biologique est un procédé basé sur l'utilisation de micro-organismes spécifiques et les principes de leur vie. Les bactéries agissent spécifiquement sur des polluants organiques spécifiques et l'eau est purifiée.
Méthodes de traitement biologique des eaux usées et leurs avantages. Stations et ouvrages de traitement biologique des eaux usées
Les méthodes de traitement biologique des eaux usées comprennent des bassins d'aération, des filtres biologiques et des bassins biologiques. Chaque méthode a ses propres caractéristiques, dont nous vous parlerons ci-dessous.
Réservoirs aéronautiques
Cette méthode de traitement biologique implique l’interaction d’eaux usées préalablement purifiées mécaniquement et de boues activées. L'interaction a lieu dans des conteneurs spéciaux - ils se composent d'au moins deux sections et sont équipés de systèmes d'aération. Les boues activées contiennent un grand nombre de micro-organismes aérobies qui, dans des conditions appropriées, éliminent divers polluants des eaux usées. Les boues sont un système de biocénose complexe dans lequel les bactéries, soumises à un apport régulier d'oxygène, commencent à absorber les impuretés organiques. La purification biologique se produit constamment sous une condition principale : l'air doit pénétrer dans l'eau. Lorsque le traitement organique est terminé, le niveau de consommation d'oxygène (DBO) diminue et de l'eau est fournie aux sections suivantes.
Dans d'autres sections, des bactéries nitrifiantes sont incluses dans le travail, qui traitent un élément tel que l'azote des sels d'ammonium pour former des nitrites. Ces processus sont réalisés par une partie des micro-organismes, tandis que l’autre se nourrit de nitrites pour former des nitrates. Une fois ce processus terminé, les eaux usées traitées sont introduites dans un bassin de décantation secondaire. Ici, les boues activées précipitent et l'eau purifiée est envoyée vers des réservoirs.
Le biofiltre est une station de traitement biologique appréciée des propriétaires de bastides. Il s'agit d'un appareil compact qui comprend un réservoir avec du matériel de chargement. Sous la forme d'un film actif dans le biofiltre se trouvent des micro-organismes qui effectuent les mêmes processus que dans le premier cas.
Types d'installations :
- en deux étapes;
- filtration goutte à goutte.
Les performances des appareils avec filtration goutte à goutte sont faibles, mais ils garantissent le degré maximum d'épuration des eaux usées. Le deuxième type est plus productif, mais la qualité du nettoyage sera à peu près la même que dans le premier cas. Les deux filtres sont constitués d'un « corps », d'un distributeur, de systèmes de drainage et de distribution d'air. Le principe de fonctionnement des biofiltres est similaire à celui des bassins d’aération.
Étangs biologiques
Pour effectuer le traitement des eaux usées selon cette méthode, il doit y avoir un réservoir artificiel ouvert dans lequel auront lieu les processus d'auto-épuration. Cette méthode est la plus efficace ; même les étangs peu profonds jusqu'à un mètre de profondeur conviennent. Une surface importante permet à l'eau de bien se réchauffer, ce qui a également l'effet nécessaire sur les processus vitaux des micro-organismes impliqués dans l'épuration. Cette méthode est plus efficace pendant la saison chaude - à des températures d'environ 6 degrés et moins, les processus d'oxydation sont suspendus. En hiver, le nettoyage n'a pas lieu du tout.
Types d'étangs :
- pisciculture (avec dilution);
- en plusieurs étapes (sans dilution);
- bassins de traitement tertiaire.
Dans le premier cas, les eaux usées sont mélangées à l’eau de rivière puis envoyées vers des étangs. Dans le second, l'eau est envoyée au réservoir sans dilution immédiatement après décantation. La première méthode nécessite environ deux semaines et la seconde un mois. L'avantage des systèmes à plusieurs étages est leur prix relativement bas.
Quels sont les avantages du traitement biologique des eaux usées ?
Le traitement biologique des eaux usées garantit la production d’eau propre à presque 100 %. Veuillez toutefois noter que la biostation n’est pas utilisée comme méthode indépendante. Vous ne pouvez obtenir une eau cristalline que si vous éliminez d’abord les impuretés inorganiques par d’autres moyens, puis si vous éliminez les matières organiques à l’aide d’une méthode biologique.
Bactéries aérobies et anaérobies : qu'est-ce que c'est ?
Les micro-organismes utilisés dans le processus de traitement des eaux usées sont divisés en aérobies et anaérobies. Les aérobies n'existent que dans un environnement contenant de l'oxygène et décomposent complètement la matière organique en CO2 et H2O, tout en synthétisant simultanément leur propre biomasse. La formule de ce processus est la suivante :
CxHyOz + O2 -> CO2 + H2O + biomasse bactérienne,
où CxHyOz est une substance organique.
Les micro-organismes anaérobies se débrouillent normalement sans oxygène, mais la croissance de leur biomasse est faible. Des bactéries de ce type sont nécessaires à la fermentation sans oxygène de composés organiques avec formation de méthane. Formule:
CxHyOz -> CH4 + CO2 + biomasse bactérienne
Les techniques anaérobies sont indispensables en cas de concentrations élevées de matière organique, qui dépassent le maximum autorisé pour les micro-organismes aérobies. Avec une faible teneur en matière organique, les micro-organismes anaérobies sont au contraire inefficaces.
Objectif des méthodes biologiques de purification de l'eau
La majorité des déchets polluants sont des substances d'origine organique. Les principales sources de ces polluants et consommateurs d’eaux usées traitées :
- Logements et services communaux, entreprises de l'industrie alimentaire et complexes d'élevage.
- Entreprises des industries de la chimie, du raffinage du pétrole, des pâtes et papiers et du cuir.
La composition des eaux usées dans ces cas sera différente. Une chose est sûre : ce n'est qu'avec un nettoyage complet avec l'utilisation obligatoire de méthodes biologiques que des résultats optimaux peuvent être obtenus.
Principes du traitement biologique et liste des équipements requis
Compte tenu des principes actuels du traitement biologique, des équipements sont sélectionnés pour organiser une station d'épuration biologique. Options principales :
- bassins biologiques;
- champs de filtrage ;
- biofiltres;
- réservoirs d'aération;
- métatenks;
- puits de filtration;
- filtres à sable et à gravier;
- canaux d'oxydation de circulation ;
- bioréacteurs.
Veuillez noter que différentes techniques peuvent être utilisées pour le traitement des eaux usées artificielles et naturelles.
Traitement des eaux usées par méthodes biologiques : avantages et inconvénients
Les méthodes biologiques sont efficaces pour purifier les eaux usées de la matière organique, mais des résultats véritablement élevés ne peuvent être obtenus que grâce à l'utilisation intégrée de différentes méthodes. De plus, les possibilités des bactéries ne sont pas illimitées : les micro-organismes éliminent les impuretés organiques mineures. Le coût des stations d'épuration biologiques est relativement faible.
Toutes les méthodes de traitement des eaux usées
Avant d'entrer dans le système de traitement biologique, les eaux usées doivent subir une épuration mécanique, puis une désinfection (chloration, ultrasons, électrolyse, ozonation, etc.) et une désinfection. Par conséquent, dans le cadre du traitement complet des eaux usées, des méthodes chimiques, mécaniques, membranaires et réactives sont également utilisées.
Toute eau usée contient des composants d'origine organique et inorganique. S'il est facile de se débarrasser des inclusions inorganiques grandes et denses à l'aide de méthodes de filtration mécanique, il ne sera alors pas possible de se débarrasser des composants organiques complexes présents dans l'eau sous forme de suspension. Cela nécessitera un traitement biochimique des eaux usées. Cette technique n'est pas moins efficace et moins coûteuse que les méthodes de nettoyage artificiel. De plus, cette méthode de nettoyage ne nécessite pas de processus complexe de recyclage des réactifs utilisés.
La méthode de nettoyage biochimique est basée sur l'utilisation de bactéries spéciales qui, au cours de leur vie, décomposent les composés organiques complexes en éléments plus simples - eau, dioxyde de carbone et sédiments minéraux.
Ces bactéries sont constamment présentes dans le sol et l’eau, où elles contribuent à l’épuration naturelle du sol et de l’eau. Mais comme leur concentration est faible, les processus de nettoyage naturels se déroulent plutôt lentement.
Dans les stations d’épuration où un traitement biochimique est utilisé, d’énormes colonies de bactéries sont impliquées dans le traitement des eaux usées. Dans le même temps, des conditions favorables sont créées dans ces structures pour la vie des micro-organismes, ce qui permet d'accélérer considérablement les processus de purification de l'eau dans la structure par rapport au nettoyage naturel de la nature.
En règle générale, la purification biochimique utilise l'un des deux types de bactéries ou une combinaison d'entre elles :
- Les micro-organismes aérobies traitent des composés organiques complexes. Sous l’effet de l’oxydation, ils se décomposent en eau, sédiments minéraux et dioxyde de carbone. La principale caractéristique de ces bactéries est qu’elles ont besoin d’oxygène, c’est pourquoi les structures qui les utilisent sont équipées d’aérateurs et de compresseurs.
- Les micro-organismes anaérobies sont toujours présents en petites quantités dans les eaux usées. Ces bactéries n'ont pas besoin d'oxygène. Cependant, ils ont besoin de dioxyde de carbone et de nitrates pour mener à bien leurs activités vitales. Ces organismes émettent du méthane au cours de leur vie, il est donc nécessaire d'utiliser un système de ventilation dans le bâtiment.
Méthodes de purification biochimique
Aujourd'hui, les méthodes biochimiques suivantes de traitement des eaux usées sont utilisées :
- Étangs biologiques.
- Conceptions utilisant des méthodes de nettoyage aérobie - réservoirs d'aération et biofiltres.
- Appareils de traitement à décomposition anaérobie (fosses septiques, décanteurs et digesteurs).
Bioétangs
Il s'agit de réservoirs artificiels de faible profondeur (0,5 à 1 m), dans lesquels les eaux usées subissent des processus qui rappellent beaucoup l'auto-épuration naturelle. Ces étangs sont bien chauffés par le soleil et créent donc des conditions favorables à la vie des bactéries.
L'effet sanitaire le plus élevé des étangs est obtenu pendant la saison chaude. Ainsi, les colonies d'E. coli sont détruites à 99 %, les micro-organismes nuisibles du groupe intestinal sont complètement détruits, l'oxydation de l'environnement est réduite de 90 % et la concentration d'ammonium et d'azote organique est réduite de 97 %.
Important : cette méthode de nettoyage peut également être utilisée en hiver. Les étangs peuvent fonctionner sous une couche de glace. Seulement, il faut en déneiger pour que la lumière du soleil atteigne les bactéries.
Les bassins biologiques se déclinent en plusieurs types :
- Réservoirs fluides, dans lequel les eaux usées sont diluées avec de l'eau de rivière. Après le décanteur, les eaux usées sont mélangées à de l'eau dans un rapport de 1 à 3-5. Ici, le liquide est purifié pendant 14 à 21 jours. L'étang est propice à la pisciculture et à l'élevage de canards. L'inconvénient est la nécessité de construire un bassin de décantation et le besoin d'eau de rivière.
- Étangs coulants dans lesquels les effluents ne sont pas dilués avec l'eau de rivière. Cette méthode de traitement consiste à faire passer les eaux usées à travers une cascade de 4 à 5 réservoirs. Le premier étang doit avoir une barrière pour contenir les sédiments solides, tandis que le dernier étang est adapté à la pisciculture.
- Réservoirs pour le traitement des eaux usées utilisé dans les stations d'épuration biologiques où il n'est pas possible de traiter de grands volumes d'eaux usées ou lorsqu'un degré élevé de purification est requis. Habituellement, l'ensemble du système se compose de 2 à 3 étangs dans lesquels des poissons peuvent également être élevés.
- Étangs anaérobies atteindre plusieurs mètres de profondeur. Des méthodes de nettoyage anaérobie sont utilisées ici. Les principaux inconvénients de ces étangs sont que du méthane est constamment libéré dans l'environnement et que des bactéries pathogènes peuvent pénétrer dans les eaux souterraines.
- Contacter les réservoirs. Le principe de purification repose ici sur le fait que dans l'eau stagnante, les processus d'oxydation biochimique se déroulent beaucoup plus rapidement. Le système se compose d'une série de cartes parallèles. L’eau se déplace chaque jour d’un plan d’eau à un autre. Le processus de nettoyage complet est terminé en 5 à 10 jours.
Stations de traitement de décomposition aérobie
Ces structures comprennent des biofiltres et des réservoirs d'aération. Le principe de fonctionnement du biofiltre repose sur le fait que l'eau contaminée passe d'abord par une étape de purification mécanique. Après un certain temps, le chargement (une partie du biofiltre) commence à être encrassé par un film biologique. Ce processus est dû à l'adsorption de micro-organismes provenant des eaux usées. Ce n'est qu'après cela que commencent les processus d'oxydation biochimique de la matière organique.
Important : la condition principale pour un nettoyage efficace est la présence d'une bonne aération.
Un biofiltre est une structure remplie de matériaux à gros grains qui ne peuvent pas gonfler (scories, cailloux, pierre concassée). La surface de ce matériau est irriguée avec des déchets toutes les 10 à 15 minutes. Le liquide qui a traversé le filtre passe par les trous de drainage et s'écoule dans les bacs. L'aération d'un filtre biologique peut être artificielle ou naturelle. Les méthodes d'aération artificielle peuvent accélérer considérablement les processus d'oxydation biologique.
Un bassin d'aération est une installation de traitement qui utilise les principes du traitement biologique naturel des eaux usées. Cependant, l’intensité de ces processus est bien plus élevée. L'aération des eaux usées est ici réalisée en pompant de l'air à l'aide d'aérateurs et de compresseurs. Ici, les fonctions d'un film biologique sont assurées par des boues activées - ce sont des flocons spéciaux constitués d'une suspension de micro-organismes.
Les principes de nettoyage dans une telle installation sont les suivants :
- Les eaux usées, mélangées aux boues activées, pénètrent dans un long réservoir et le traversent.
- Pour maintenir les boues en suspension et accélérer les processus d’oxydation, de l’air est constamment pompé dans le système sous pression.
- Une fois le processus d'oxydation terminé, le mélange de boues et d'eaux usées pénètre dans un décanteur secondaire, où les boues activées sont séparées de l'eau purifiée. Les boues activées sont pompées vers le bassin d'aération à l'aide d'un pont aérien.
- Après désinfection, l’eau peut être rejetée dans les plans d’eau.
Important : cette méthode de nettoyage entraîne la formation d'une grande quantité de boues activées, il faut donc les éliminer périodiquement. Les boues activées qui en résultent peuvent être utilisées pour fertiliser les champs.
Les boues activées sont une biomasse constituée de bactéries, de protozoaires, de micro-organismes nitrifiants et dénitrifiants, ainsi que de champignons. Il n'y a aucun représentant du groupe des algues dans la composition. Les boues activées adsorbent parfaitement les bactéries coliformes.
Stations de traitement par digestion anaérobie
Les boues d'épuration sont constituées de 95 pour cent d'eau, 5 pour cent de glucides, de graisses et de protéines. Des méthodes biochimiques sont également utilisées pour désinfecter les boues des stations d’épuration. Ils vous permettent de modifier la structure des boues, ce qui en fait une substance à séchage rapide et facilement recyclable.
Les processus de fermentation anaérobie dans des conditions naturelles se produisent avec la libération de méthane, d'eau et de dioxyde de carbone. Il existe les types d'installations de traitement suivants qui utilisent des processus de décomposition anaérobie :
- Les fosses septiques sont des structures qui combinent les processus de fermentation et de formation de sédiments. Ces conceptions conviennent à l'entretien de petits objets - maisons de campagne et datchas. Le nettoyage de la fosse septique peut être effectué manuellement, car les dimensions de la structure sont petites. En règle générale, cette procédure est effectuée 1 à 2 fois par an. Les boues digérées des fosses septiques ne peuvent pas être utilisées comme engrais car elles constituent une menace pour l’environnement. Avant l'élimination des boues, celles-ci doivent être désinfectées par chauffage à 60 degrés. Les fosses septiques peuvent être constituées de 1, 2 ou 3 chambres. Ces conceptions conviennent au traitement préliminaire des eaux usées, après quoi elles nécessitent un traitement supplémentaire dans des champs de filtration, dans des puits de filtration ou des fossés.
- Digesteurs. Ici, les boues sont fermentées grâce à un chauffage artificiel. Les eaux usées arrivent ici après le décanteur primaire. Un digesteur est une cuve fermée dans laquelle est réalisée la digestion anaérobie des boues. Dans de telles structures, les nouveaux sédiments sont constamment mélangés aux sédiments matures. L'efficacité de l'ensemble de la structure dépend de la quantité de sédiments matures. Plus il y en a, mieux c'est.
- Décanteurs à deux niveaux diffèrent des fosses septiques en ce sens que bon nombre de leurs inconvénients sont éliminés. Ainsi, les gaz dégagés lors de la décomposition des boues ne peuvent pas pénétrer dans les eaux usées liquides. Dans ces conceptions, le processus de fermentation peut durer de 1 à 6 mois. En même temps, il y a un piège à gaz au-dessus du décanteur à deux niveaux. Les boues digérées sont acheminées vers des plantations de boues pour être séchées. La décomposition des matières organiques dans un puisard est beaucoup plus rapide et efficace que dans une fosse septique. De telles structures ne sont pas utilisées aux latitudes moyennes, la digestion des boues ne pouvant être réalisée en hiver.
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Base biochimique des méthodes biologiques de traitement des eaux usées
Les méthodes biologiques de traitement des eaux usées sont basées sur les processus naturels de l'activité vitale des micro-organismes hétérotrophes. Les micro-organismes sont connus pour posséder un certain nombre de propriétés particulières, parmi lesquelles il convient de distinguer trois principales, largement utilisées à des fins de nettoyage :
1. La capacité de consommer une grande variété de composés organiques (et certains inorganiques) comme sources alimentaires pour obtenir de l’énergie et assurer son fonctionnement.
2. Deuxièmement, cette propriété est de se multiplier rapidement. En moyenne, le nombre de cellules bactériennes double toutes les 30 minutes. Selon le Pr. N.P. Blinov, si les micro-organismes pouvaient se multiplier sans entrave, alors, avec une nutrition suffisante et des conditions appropriées, en 5 à 7 jours, la masse d'un seul type de micro-organismes remplirait les bassins de toutes les mers et océans. Cependant, cela ne se produit pas à la fois en raison des sources de nourriture limitées et de l'équilibre écologique naturel existant.
3. La capacité de former des colonies et des accumulations, qui peuvent être relativement facilement séparées de l'eau purifiée une fois les processus d'élimination des contaminants qu'elle contient.
Dans une cellule microbienne vivante, deux processus se produisent continuellement et simultanément : la dégradation des molécules (catabolisme) et leur synthèse (anabolisme), qui constituent le processus métabolique global - le métabolisme. En d'autres termes, les processus de destruction des composés organiques consommés par les micro-organismes sont inextricablement liés aux processus de biosynthèse de nouvelles cellules microbiennes, divers produits intermédiaires ou finaux, dont la mise en œuvre consomme l'énergie reçue par la cellule microbienne du fait de la consommation de nutriments. La source de nutrition des micro-organismes hétérotrophes sont les glucides, les graisses, les protéines, les alcools, etc., qui peuvent être décomposés par eux dans des conditions aérobies ou anaérobies. Une partie importante des produits de transformation microbienne peut être libérée par la cellule dans l'environnement ou s'y accumuler. Certains produits intermédiaires servent de réserve nutritionnelle que la cellule utilise une fois la nutrition principale épuisée.
L'ensemble du cycle des relations entre la cellule et l'environnement dans le processus d'élimination et de transformation des nutriments est déterminé et régulé par des enzymes appropriées. Les enzymes sont localisées dans le cytoplasme et dans diverses sous-structures intégrées dans la membrane cellulaire, libérées à la surface des cellules ou dans l'environnement. La teneur totale en enzymes d'une cellule atteint 40 à 60 % de la teneur totale en protéines, et la teneur de chaque enzyme peut varier de 0,1 à 5 % de la teneur en protéines. De plus, les cellules peuvent contenir plus de 1 000 types d’enzymes et chaque réaction biochimique effectuée par une cellule peut être catalysée par 50 à 100 molécules de l’enzyme correspondante. Certaines enzymes sont des protéines complexes (protéides), contenant en plus de la partie protéique (apoenzyme) une partie non protéique (coenzyme). Dans de nombreux cas, les coenzymes sont des vitamines, parfois des complexes contenant des ions métalliques.
Les enzymes sont divisées en six classes selon la nature des réactions qui catalysent : processus d'oxydation et de réduction ; transfert de divers groupes chimiques d'un substrat à un autre ; clivage hydrolytique des liaisons chimiques des substrats ; le clivage ou l'ajout d'un groupe chimique du substrat ; changement au sein du substrat; connecter des molécules de substrat à l’aide de composés à haute énergie.
Étant donné que la cellule microbienne ne consomme que des substances organiques dissoutes dans l'eau, la pénétration de substances insolubles dans l'eau, telles que l'amidon, les protéines, la cellulose, etc., dans la cellule n'est possible qu'après leur préparation appropriée, pour laquelle la cellule libère les enzymes nécessaires dans le liquide environnant leur clivage hydrolytique en sous-unités plus simples.
Les coenzymes déterminent la nature de la réaction catalysée et sont divisées en trois groupes selon les fonctions qu'elles remplissent :
1. Transporter des ions hydrogène ou des électrons. Associé aux enzymes redox - oxydoréductases.
2. Participer au transfert de groupes d'atomes (ATP - acide adénosine triphosphate, phosphates glucidiques, CoA - coenzyme A, etc.)
3. Catalyser les réactions de synthèse, de décomposition et d'isomérisation des liaisons carbone.
Le mécanisme d'élimination de la solution et de dissimilation ultérieure du substrat est de nature très complexe et en plusieurs étapes, des réactions biochimiques interconnectées et séquentielles déterminées par le type de nutrition et de respiration des bactéries. Qu'il suffise de dire que de nombreux aspects de ce mécanisme ne sont pas encore tout à fait clairs, malgré son utilisation pratique, tant dans le domaine de la biotechnologie que dans le domaine de la purification biochimique de l'eau des impuretés organiques dans un large éventail de schémas de conception technologique.
Le premier modèle du processus d'élimination biochimique et d'oxydation des contaminants reposait sur trois principes principaux : l'élimination par sorption et l'accumulation de la substance éliminée à la surface des cellules ; mouvement de diffusion à travers la membrane cellulaire soit de la substance elle-même, soit des produits de son hydrolyse, soit d'un complexe hydrophobe formé d'une substance pénétrante hydrophile et d'une protéine intermédiaire ; transformation métabolique des nutriments entrant dans la cellule, assurant la pénétration par diffusion de la substance dans la cellule.
Conformément à ce modèle, on pensait que le processus d'élimination des nutriments de l'eau commence par leur sorption et leur accumulation à la surface des cellules, ce qui nécessite un mélange constant de la biomasse avec le substrat, fournissant des conditions favorables à la « collision » des cellules avec molécules de substrat.
Le mécanisme de transfert d'une substance de la surface de la cellule vers celle-ci - ce modèle s'explique soit par la fixation de la substance pénétrante à une protéine porteuse spécifique, qui est un composant de la membrane cellulaire, qui, après avoir introduit la substance dans le cellule, est libérée et renvoyée à sa surface pour réaliser une nouvelle « capture » de la substance et un nouveau cycle de transfert, soit par dissolution directe de cette substance dans la substance de la paroi et de la membrane cytoplasmique, grâce à laquelle elle se diffuse dans la cellule . Le processus de consommation stable de la substance n'a commencé qu'après une certaine « période d'équilibre » de la substance entre la solution et les cellules, qui s'explique par l'apparition d'une hydrolyse et le mouvement de diffusion de la substance à travers la membrane cellulaire jusqu'à la membrane cytoplasmique. , où se concentrent diverses enzymes. Avec le début des transformations métaboliques, l'équilibre de sorption est perturbé et le gradient de concentration assure la continuité de l'approvisionnement ultérieur en substrat dans la cellule.
Au troisième stade, toutes les transformations métaboliques du substrat se produisent, en partie en produits finaux tels que le dioxyde de carbone, l'eau, les sulfates, les nitrates (le processus d'oxydation des substances organiques), en partie en de nouvelles cellules microbiennes (le processus de synthèse de la biomasse), si le processus de transformation des composés organiques se produit dans des conditions aérobies. Si l'oxydation biochimique se produit dans des conditions anaérobies, divers produits intermédiaires (éventuellement à des fins spécifiques), CH4, NH3, H2S, etc., et de nouvelles cellules peuvent être formés au cours de son processus.
Ce modèle, cependant, n'a pas pu expliquer certaines des caractéristiques cinétiques des processus de transport de transfert de substrat et, en particulier, l'accumulation de substrat dans la cellule contre un gradient de concentration, qui est le résultat le plus courant de ces processus et est appelé « transport actif », par opposition au transport diffusif. Une caractéristique des processus de transport actif est leur stéréospécificité, lorsque des substances de structure chimique similaire entrent en compétition pour un transporteur commun et ne se diffusent pas simplement dans la cellule sous l'influence d'un gradient de concentration.
À la lumière des vues modernes, le modèle de mouvement du substrat à travers la membrane cellulaire suppose la présence d'un « canal » hydrophile, à travers lequel les substrats hydrophiles peuvent pénétrer dans la cellule. Cependant, contrairement au modèle décrit ci-dessus, un mouvement stéréospécifique se produit ici, probablement dû à la « course de relais » du transfert de molécules de substrat d'un groupe fonctionnel à un autre. Dans ce cas, le substrat, telle une clé, ouvre le canal approprié à sa pénétration (modèle de canal transmembranaire).
Le deuxième modèle alternatif peut être considéré comme une combinaison des deux premiers, utilisant leurs propriétés positives. Il suppose la présence d'un transporteur membranaire hydrophobe qui, par les changements conformationnels successifs provoqués par le substrat, le conduit de la face externe vers la face interne de la membrane (modèle de translocation conformationnelle), où le complexe hydrophobe se désintègre. Dans cette interprétation du mécanisme de transport du substrat à travers la membrane cellulaire, le terme « porteur » est toujours utilisé, bien qu'il soit de plus en plus remplacé par le terme « perméase », qui prend en compte la base génétique de son codage en tant que composant membranaire. de la cellule dans le but de transporter des substances dans la cellule.
Il a été établi que les systèmes de transport membranaire comprennent souvent plus d’un médiateur protéique et qu’il peut y avoir une division des fonctions entre eux. Les protéines « de liaison » identifient le substrat dans le milieu, le fournissent et le concentrent sur la surface externe de la membrane et le transfèrent au « vrai » transporteur, c'est-à-dire composant qui transporte le substrat à travers la membrane. Ainsi, des protéines impliquées dans la « reconnaissance », la liaison et le transport d’un certain nombre de sucres, d’acides carboxyliques, d’acides aminés et d’ions inorganiques dans les cellules de bactéries, de champignons et d’animaux ont été isolées.
La transformation du processus de transfert de substances dans la cellule en un processus unidirectionnel de transport « actif », conduisant à une augmentation de la teneur en nutriments dans la cellule par rapport à leur gradient de concentration dans l'environnement, nécessite certains coûts énergétiques de la part de la cellule. Par conséquent, les processus de transfert du substrat de l'environnement vers la cellule sont associés aux processus de libération métabolique de l'énergie contenue dans le substrat se produisant à l'intérieur de la cellule. L'énergie dans le processus de transfert du substrat est dépensée pour la modification chimique du substrat ou du support lui-même afin d'éliminer ou d'empêcher à la fois l'interaction du substrat avec le support et le retour du substrat par diffusion à travers la membrane dans la solution. .
Les vues modernes sur les processus d'élimination biochimique et d'oxydation des composés organiques reposent sur deux dispositions cardinales de la théorie de la cinétique enzymatique. La première position postule que l'enzyme et le substrat interagissent entre eux, formant un complexe enzyme-substrat qui, à la suite d'une ou plusieurs transformations, conduit à l'apparition de produits réduisant la barrière à l'activation de la réaction catalysée par le enzyme en raison de sa fragmentation en un certain nombre d'étapes intermédiaires, dont chacune ne rencontre pas d'obstacles énergétiques à sa mise en œuvre. La deuxième position stipule que, quelle que soit la nature des composés et le nombre d'étapes au cours de la réaction enzymatique catalysée par l'enzyme, à la fin du processus, l'enzyme ressort inchangée et est capable d'interagir avec la molécule suivante du substrat. . En d’autres termes, dès la phase de retrait du substrat, la cellule interagit avec le substrat pour former une connexion relativement faible appelée « complexe enzyme-substrat ».
Ce qui précède est bien illustré par l'exemple de l'extraction du glucose d'une solution par divers micro-organismes contenant l'enzyme glucose oxydase dans un environnement contenant de l'oxygène moléculaire. La glucose oxydase forme un complexe enzyme-substrat - glucose - oxygène - glucose oxydase, après la décomposition duquel se forment des produits intermédiaires - gluconolactone et peroxyde d'hydrogène, comme le montre schématiquement la Fig. 11.1.
La gluconolactone formée à la suite de la dégradation de ce complexe subit une hydrolyse pour former de l'acide gluconique.
L’une des propriétés les plus importantes des enzymes est leur capacité à être synthétisées en présence et sous l’influence d’une certaine substance. Une autre propriété tout aussi importante est la spécificité de l’action de l’enzyme tant par rapport à la réaction qu’elle catalyse que par rapport au substrat lui-même.
Parfois, une enzyme est capable d'agir sur un seul substrat (spécificité absolue), mais bien plus souvent, l'enzyme agit sur un groupe de substrats similaires en présence de certains groupes atomiques de substrats.
Riz. 11.1. Schéma de « reconnaissance » d'un substrat par une enzyme, formation d'un complexe enzyme-substrat et catalyse
De nombreuses enzymes sont caractérisées par une spécificité stéréochimique, qui consiste dans le fait que l'enzyme agit sur un groupe de substrats (et parfois sur un seul), qui diffèrent des autres par la disposition particulière des atomes dans l'espace. Le rôle de chaque enzyme dans le processus d'oxydation biochimique des substances organiques est strictement défini : elle catalyse soit l'oxydation (c'est-à-dire l'ajout d'oxygène ou l'élimination de l'hydrogène), soit la réduction (c'est-à-dire l'ajout d'hydrogène ou l'élimination de l'hydrogène). oxygène) de composés chimiques bien définis. Lors de la déshydrogénation, une enzyme particulière ne peut éliminer que certains atomes d'hydrogène qui occupent une certaine position spatiale dans la molécule du substrat ou du produit intermédiaire. Il en va de même pour les enzymes qui catalysent d’autres processus métaboliques.
Les processus d'oxydation biochimique chez les micro-organismes hétérotrophes sont divisés en trois groupes en fonction de l'accepteur final des atomes d'hydrogène ou des électrons retirés du substrat oxydé. Si l'accepteur est l'oxygène, alors ce processus est appelé respiration cellulaire ou simplement respiration ; si l'accepteur d'hydrogène est une substance organique, alors le processus d'oxydation est appelé fermentation ; enfin, si l'accepteur d'hydrogène est une substance inorganique telle que des nitrates, des sulfates, etc., alors le processus est appelé respiration anaérobie, ou simplement anaérobie.
Le processus le plus complet est l’oxydation aérobie, car ses produits sont des substances qui ne sont pas capables de se décomposer davantage dans la cellule microbienne et ne contiennent pas de réserve d'énergie qui pourrait être libérée par des réactions chimiques ordinaires. Comme nous l'avons déjà indiqué, les principales substances sont le dioxyde de carbone (CO2) et l'eau (H20). Bien que ces deux substances contiennent de l'oxygène, le chemin chimique de leur formation dans la cellule peut être différent, car le dioxyde de carbone peut être produit à la suite de processus biochimiques se produisant dans un environnement sans oxygène sous l'influence d'enzymes - décarboxylases, qui éliminent CO2 du groupe carboxyle (COOH) de l'acide. L'eau, résultat de l'activité vitale de la cellule, est formée exclusivement en combinant l'oxygène de l'air avec l'hydrogène des substances organiques, dont elle est séparée au cours du processus de leur oxydation.
La dissimilation aérobie du substrat - glucides, protéines, graisses - est un processus en plusieurs étapes, y compris la décomposition initiale d'une substance complexe contenant du carbone en sous-unités plus simples (par exemple, les polysaccharides - en sucres simples ; les graisses - en acides gras et glycérol ; protéines - en acides aminés), qui subissent à leur tour une transformation ultérieure cohérente. Dans ce cas, l'accessibilité du substrat à l'oxydation dépend fortement de la structure du squelette carboné des molécules (droit, ramifié, cyclique) et du degré d'oxydation des atomes de carbone. Les sucres, en particulier les hexoses, sont considérés comme les plus facilement disponibles, suivis des alcools polyhydriques (glycérol, mannitol, etc.) et des acides carboxyliques. La voie finale générale par laquelle s'achève le métabolisme aérobie des glucides, des acides gras et des acides aminés est le cycle de l'acide tricarboxylique (cycle TCA) ou cycle de Krebs, dans lequel ces substances entrent à un moment ou à un autre. Il est à noter que dans des conditions de métabolisme aérobie, environ 90 % de l'oxygène consommé est utilisé dans les voies respiratoires pour la production d'énergie par les cellules microbiennes.
La fermentation est un processus de dégradation incomplète de substances organiques, principalement des glucides, dans des conditions sans oxygène, qui aboutit à la formation de divers produits intermédiaires partiellement oxydés, tels que l'alcool, la glycérine, les acides formique, lactique, propionique, le butanol, l'acétone, le méthane, etc., largement utilisés en biotechnologie pour obtenir des produits cibles. Jusqu'à 97 % du substrat organique peut être transformé en sous-produits et en méthane.
La dégradation enzymatique anaérobie des protéines et des acides aminés est appelée putréfaction.
En raison de la faible production d'énergie au cours du métabolisme de type fermentatif, les cellules microbiennes qui l'effectuent doivent consommer une plus grande quantité de substrat (à une profondeur de dégradation plus faible) que les cellules qui reçoivent de l'énergie par la respiration, ce qui explique une croissance plus efficace. des cellules en conditions aérobies par rapport aux conditions anaérobies.
La cellule reçoit la plus grande quantité d'énergie pour son fonctionnement grâce à l'oxydation de l'hydrogène par l'oxygène, qui est clivé du substrat oxydé sous l'action des enzymes déshydrogénases, qui, selon leur action chimique, sont divisées en nicotinamide (NAD ) et la flavine (FAD). Les nicotinamide déshydrogénases sont les premières à réagir avec le substrat, en éliminant deux atomes d'hydrogène et en les ajoutant au coenzyme. À la suite de cette réaction, le substrat est oxydé et le NAD est réduit en NAD'H2. Ensuite, FAD réagit, transférant l'hydrogène de la coenzyme nicotinamide à la flavine coenzyme, à la suite de quoi NAD'H2 est à nouveau oxydé en NAD et la flavine coenzyme est réduite en FADH2. De plus, grâce à un groupe extrêmement important d'enzymes rédox - les cytochromes - l'hydrogène est transféré à l'oxygène moléculaire, ce qui achève le processus d'oxydation avec la formation du produit final - l'eau.
Dans cette réaction, la plus grande partie de l’énergie contenue dans le substrat est libérée. L’ensemble du processus d’oxydation aérobie peut être représenté par le diagramme de la Fig. 11.2.
L'énergie libérée lors de l'oxydation microbienne d'une substance est accumulée par la cellule à l'aide de composés à haute énergie. La réserve d'énergie universelle des cellules vivantes est l'acide adénosine triphosphorique - ATP (bien qu'il existe d'autres macroénergies).
Cette réaction de phosphorylation, comme le montre (11.9), nécessite de l'énergie dont la source est dans ce cas l'oxydation. Par conséquent, la phosphorylation de l’ADP est étroitement associée à l’oxydation, et ce processus est appelé phosphorylation oxydative. Dans le processus de phosphorylation oxydative, lors de l'oxydation, par exemple, d'une molécule de glucose, 38 molécules d'ATP se forment, tandis qu'au stade de la glycolyse, seulement 2. Il convient de noter que l'étape de glycolyse se déroule exactement de la même manière. dans des conditions aérobies et anaérobies, c'est-à-dire avant la formation de l'acide pyruvique (PVA), et 2 molécules d'ATP formées sur 4 sont dépensées pour son apparition.
Les voies de transformation ultérieure du PVC dans des conditions aérobies et anaérobies divergent.
La transformation aérobie du glucose peut être représentée par le schéma suivant :
1. Glycolyse : SbH12Ob + 2FA-+2PVK + 2NADH2 + 4ATP (11.10)
2. Transformation de l'acide pyruvique (PVA) : 2PVA-*2C02 + 2 Acétyl CoA + 2NADH2
3. Cycle de l'acide tricarboxylique (cycle de Krebs) : Acétyl CoA -> 4C02 + 6NADH2 + 2FADH2 + 2ATP (11.12) ECbH12Ob -> 6C02 + 10NADH2 + 2FADH2 + 4ATP (11.13) où FAD est une flavoprotéine.
L'oxydation du NADH2 dans le système de transport d'électrons produit du ZATP à
1 mole ; l'oxydation de 2FADH2 produit du 4ATP,
alors : SbN1206 + 602 -> 6C02 + 6H20 + 38ATP
Dans des conditions de transformation anaérobie des glucides, la première étape est la phosphorylation du glucose, réalisée à l'aide de l'ATP sous l'influence de l'enzyme hexokinase, c'est-à-dire
Glucose + A TF-hexokinase > glucose _ b – phosphate + ADP
Après l'achèvement de l'étape de glycolyse et la formation du PVC, le déroulement de la transformation ultérieure du PVC dépend du type de fermentation et de son agent causal. Les principaux types de fermentation : alcoolique, acide lactique, acide propionique, acide butyrique, méthane.
La phosphorylation oxydative peut également se produire sous l'influence d'une enzyme qui synthétise l'ATP au niveau du substrat. Cependant, cette formation de liaisons à haute énergie est très limitée et, en présence d’oxygène, les cellules synthétisent la majeure partie de l’ATP qu’elles contiennent via le système de transport d’électrons.
L'accumulation d'une substance libérée lors du processus de dissimilation dans des conditions aérobies ou anaérobies à l'aide de composés à haute énergie (et principalement d'ATP) permet d'éliminer l'écart entre l'uniformité des processus de libération d'énergie chimique du substrat et l'inégalité des processus de consommation, inévitable dans les conditions réelles d'existence d'une cellule.
De manière simplifiée, l'ensemble du processus de décomposition des substances organiques lors des transformations aérobies peut être représenté par le diagramme illustré à la Fig. 11.3. Le diagramme des transformations anaérobies du PVC après l'étape de glycolyse est présenté sur la Fig. 11.4.
Des recherches ont établi que le type de métabolisme ne dépend souvent pas tant de la présence d'oxygène dans l'environnement que de la concentration du substrat.
Cela indique que, en fonction des conditions spécifiques de fonctionnement de la biomasse dans l'environnement, des processus de transformation de composés organiques à la fois aérobies et anaérobies peuvent se produire simultanément, dont l'intensité dépendra également de la concentration du substrat et de l'oxygène.
Il convient de noter ici qu'en biotechnologie industrielle, les cultures pures sont utilisées pour obtenir divers produits d'origine microbienne (levure alimentaire ou de boulangerie, acides organiques divers, alcools, vitamines, médicaments), c'est-à-dire les micro-organismes d'une espèce sont souvent sélectionnés, avec le strict maintien de la composition en espèces, des conditions nutritionnelles appropriées, de la température, de la réaction active de l'environnement, etc., à l'exclusion de l'apparition et du développement d'autres types de micro-organismes, ce qui pourrait conduire à une déviation de la qualité du produit résultant par rapport aux normes établies.
Lors du traitement d'eaux usées contenant un mélange de contaminants de compositions chimiques diverses, parfois même très difficiles à identifier par des méthodes analytiques, la biomasse qui effectue l'épuration est également un mélange, ou plutôt une communauté de différents types de micro-organismes et de protozoaires avec relations complexes entre eux. Tant les espèces que la composition quantitative de la biomasse issue des stations d'épuration des eaux usées dépendront de la méthode spécifique de traitement biologique et des conditions de sa mise en œuvre.
Selon les calculs de certains experts, lorsque la concentration de polluants organiques dissous, évaluée par l'indice BPKP0Ln, atteint 1000 mg/l, l'utilisation de méthodes de nettoyage aérobie est la plus bénéfique. À des concentrations de BPKPOLn de 1 000 à 5 000 mg/l, les indicateurs économiques des méthodes aérobies et anaérobies seront presque les mêmes. À des concentrations supérieures à 5 000 mg/l, il serait plus approprié d'utiliser des méthodes anaérobies. Cependant, il faut tenir compte non seulement de la concentration des polluants, mais aussi de la consommation d'eaux usées, ainsi que du fait que les méthodes anaérobies conduisent à la formation de produits finaux tels que le méthane, l'ammoniac, le sulfure d'hydrogène, etc. ne permettent pas d'obtenir la qualité de l'eau purifiée , comparable à la qualité du nettoyage par des méthodes aérobies. Par conséquent, à des concentrations élevées de contaminants, une combinaison de méthodes anaérobies est utilisée à la première étape (ou aux premières étapes) de purification et de méthodes aérobies à la dernière étape de purification. Il convient de souligner que les eaux usées domestiques et municipales, contrairement aux eaux usées industrielles, ne contiennent pas de concentrations de contaminants justifiant le recours à des méthodes anaérobies et que ces méthodes de traitement ne sont donc pas abordées dans ce chapitre.
Riz. 11.3. Schéma simplifié de la décomposition en trois étapes des molécules nutritives (B. Alberte et al. 1986)
Riz. 11.4. Conversion de l'acide pyruvique par des micro-organismes anaérobies en divers produits