Biokemijske tehnologije pročišćavanja otpadnih voda. Biokemijska obrada otpadnih voda
n1.doc
| 1. Biokemijske metode pročišćavanja otpadnih voda. Suština metode. | |
| 2. Obrasci razgradnje organskih tvari | 5 |
| 3. Utjecaj različitih čimbenika na proces biokemijskog pročišćavanja | |
| 4. Klasifikacija biokemijskih metoda | 8 |
| 4.1. Aerobne metode čišćenja | 9 |
| 4.2. Anaerobne metode obrade | 15 |
| Bibliografija | 17 |
1. Biokemijske metode pročišćavanja otpadnih voda. Suština metode.
Biološka oksidacija je široko korištena metoda pročišćavanja otpadnih voda, koja omogućuje uklanjanje mnogih organskih i nekih anorganskih (sumporovodik, sulfidi, amonijak, nitriti, itd.) tvari iz njih. Biokemijsko pročišćavanje otpadnih voda temelji se na sposobnosti mikroorganizama da koriste otopljene i koloidne organske zagađivače kao izvor prehrane u svojim životnim procesima. Mnoge vrste organskih onečišćujućih tvari iz komunalnih i industrijskih otpadnih voda biološki se obrađuju, podvrgavajući ih djelomičnom ili potpunom uništavanju. U dodiru s organskim tvarima mikroorganizmi ih djelomično uništavaju, pretvarajući ih u vodu, ugljični dioksid, nitritne i sulfatne ione itd. Drugi dio tvari odlazi na stvaranje biomase. Neke organske tvari mogu lako oksidirati, dok druge ne oksidiraju uopće ili vrlo sporo.
Široka uporaba biokemijske metode posljedica je njezinih prednosti: sposobnost uklanjanja iz otpadne vode raznih organskih i nekih anorganskih spojeva koji se nalaze u vodi u otopljenom, koloidnom i neotopljenom stanju, uključujući i otrovne; jednostavnost dizajna hardvera, relativno niski operativni troškovi i dubina čišćenja. Nedostaci uključuju visoke kapitalne troškove, potrebu za strogim pridržavanjem režima čišćenja, toksični učinak na mikroorganizme niza organskih i anorganskih spojeva i potrebu za razrjeđivanjem otpadne vode u slučaju visokih koncentracija nečistoća.
Za utvrđivanje mogućnosti opskrbe industrijskih otpadnih voda postrojenjima za biokemijsku obradu utvrđuju se maksimalne koncentracije otrovnih tvari koje ne utječu na procese biokemijske oksidacije (MK b) i rad postrojenja za pročišćavanje (MK bos). U nedostatku takvih podataka, mogućnost biokemijske oksidacije utvrđuje se biokemijskim pokazateljem BPK p/KPK. Za kućne otpadne vode taj je omjer približno 0,86, a za industrijske otpadne vode varira u vrlo širokom rasponu: od 0 do 0,9. Otpadne vode s niskim omjerom BPK p/KPK tipično sadrže toksične onečišćivače, čija prethodna ekstrakcija može povećati taj omjer, tj. pružaju mogućnost biokemijske oksidacije. Stoga otpadna voda ne smije sadržavati otrovne tvari i nečistoće soli teških metala. Biokemijsko pročišćavanje smatra se dovršenim ako je BPK n pročišćene vode manji od 20 mg/l, a nepotpunim ako je BPK n > 20 mg/l. Ova definicija je uvjetna, jer čak i uz potpuno biokemijsko pročišćavanje dolazi do samo djelomičnog oslobađanja vode od količine nečistoća sadržanih u njoj.
Biološku oksidaciju provodi zajednica mikroorganizama (biocenoza), uključujući mnoge različite bakterije, protozoe, kao i alge, gljive itd., međusobno povezane u jedinstven kompleks složenim odnosima (metabioza, simbioza i antagonizam). Dominantnu ulogu u ovoj zajednici imaju bakterije, čiji broj varira od 10 6 do 10 14 stanica po 1 g suhe biomase. U procesu biokemijske oksidacije u aerobnim uvjetima zajednica mikroorganizama naziva se aktivni mulj ili biofilm. Aktivni mulj sastoji se od živih mikroorganizama i krutog supstrata, a izgledom podsjeća na koagulantne pahuljice boje od bjelkastosmeđe do tamnosmeđe. Nakupine bakterija u aktivnom mulju obavijene su sluzavim slojem (kapsulama) i nazivaju se zooglea. Pomažu u poboljšanju strukture mulja, njegovom taloženju i zbijanju.
Aktivni mulj je amfoterni koloid koji ima negativan naboj u pH rasponu od 4-9 i ima visok adsorpcijski kapacitet zbog razvijene ukupne površine bakterijskih stanica. Kapacitet adsorpcije aktivnog mulja s vremenom se smanjuje zbog zasićenja otpadne vode zagađivačima. Proces obnavljanja nastaje zbog vitalne aktivnosti mikroorganizama koji naseljavaju aktivni mulj, a naziva se regeneracija. Unatoč značajnim razlikama u otpadnim vodama koje se pročišćavaju, elementarni kemijski sastav aktivnog mulja prilično je blizak, iako ne i identičan. Ova sličnost rezultat je sličnosti njezine osnove - bakterijskih stanica. Sastav stanica uključuje H, N, S, C, O, P, pepeo, proteine, kao i razne elemente u tragovima - B, V, Fe, Co, Mn, Mo, Cu itd. H, N, C i O čine skupinu organogenih tvari, ti elementi ulaze u bakterijske stanice u obliku vode, bjelančevina, masti i ugljikohidrata; 80-85% težine mikroba čini voda.
Suha tvar aktivnog mulja je kompleks mineralnih (10-30%) i organskih (70-90%) tvari. Glavninu organskih spojeva čine proteini. U sastav pepelnih dijelova stanica ulaze mikroelementi - Ca, K, Mg, S, Mn, Cu, Na, Fe, Zn i dr. Osim toga, za izgradnju bakterijske stanice potrebni su biogeni elementi - fosfor, dušik, kalij. Kvaliteta mulja određena je brzinom njegovog taloženja i stupnjem pročišćenosti vode. Stanje mulja karakterizira se indeksom mulja, koji je omjer volumena istaloženog dijela aktivnog mulja i mase osušenog mulja (u gramima) nakon taloženja od 30 minuta. Što je veći indeks mulja, to se mulj lošije taloži.
2. Obrasci razgradnje organskih tvari
Mehanizam uklanjanja tvari iz otpadnih voda i njihove konzumacije mikroorganizmima vrlo je složen. Općenito, ovaj se proces može podijeliti u tri faze:
1) prijenos mase tvari iz tekućine na površinu stanice uslijed molekularne i konvektivne difuzije;
2) difuzija tvari kroz polupropusnu membranu stanične površine, koja je posljedica razlike u koncentracijama tvari unutar i izvan stanice;
3) proces transformacije tvari (metabolizam) koji se odvija unutar stanice, uz oslobađanje energije i sintezu nove stanične tvari.
Brzina prvog stupnja određena je zakonima difuzije i hidrodinamičkim uvjetima u postrojenju za biokemijsku obradu. Turbulencija protoka uzrokuje dezintegraciju pahuljica aktivnog mulja u sićušne kolonije mikroba i dovodi do brzog obnavljanja sučelja između mikroorganizama i okoliša.
Proces prijenosa tvari kroz polupropusne stanične membrane može se provesti na dva načina: otapanjem tvari koja difuzira u materijalu membrane, zbog čega ona prolazi u stanicu, ili pričvršćivanjem tvari koja prodire na određeni nosač. proteina, otapanje nastalog kompleksa i difuzija u stanicu, gdje se kompleks raspada i protein-transporter se oslobađa kako bi dovršio novi ciklus.
Glavnu ulogu u pročišćavanju otpadnih voda imaju procesi transformacije tvari unutar stanica mikroorganizama, koji rezultiraju oksidacijom tvari uz oslobađanje energije (kataboličke transformacije) i sintezom novih proteinskih tvari, što se događa trošenjem energije (anaboličke transformacije).
Brzinu kemijskih transformacija i njihov slijed određuju enzimi koji djeluju kao katalizatori i složeni su proteinski spojevi molekularne težine do stotina tisuća i milijuna. Njihovo djelovanje ovisi o temperaturi, pH i prisutnosti raznih tvari u otpadnoj vodi.
Ukupne reakcije biokemijske oksidacije u aerobnim uvjetima mogu se prikazati na sljedeći način:
Oksidacija organske tvari
C x H y O z (x + 0,25y - 0,5z)O 2? xS02 + 0,5uN2O + ?N;
Sinteza bakterijskih stanica
C x H y O z + nNH 3 + n(x + 0,25u - 0,5z - 5)0 2 ? n(C5H7NO2) + n(x-5)C02 + 0,5n(y-4)H20 - ?H;
Oksidacija staničnog materijala
N(C5H7NO2) + 5n02? 5nC02 + 2nH20 + nNH3 + ?N.
Kemijske transformacije su izvor energije potrebne mikroorganizmima. Živi organizmi mogu koristiti samo vezanu kemijsku energiju. Univerzalni nositelj energije u stanici je adenozin trifosforna kiselina (ATP).
Mikroorganizmi su sposobni oksidirati mnoge organske tvari, ali to zahtijeva različita vremena prilagodbe. Lako oksidiraju mnogi alkoholi, glikoli, benzojeva kiselina, aceton, glicerin, esteri itd. Slabo oksidiraju nitro spojevi, neki tenzidi i klorirani organski spojevi.
Proces aerobne oksidacije troši kisik otopljen u otpadnoj vodi. Da bi se otpadna voda zasitila kisikom, provodi se proces prozračivanja, razbijajući protok zraka u mjehuriće, koji se, ako je moguće, ravnomjerno raspoređuju u otpadnoj vodi. Iz mjehurića zraka, kisik apsorbira voda, a zatim se prenosi na mikroorganizme. Ovaj se proces odvija u dvije faze. Prvi uključuje prijenos kisika iz mjehurića zraka u masu tekućine, drugi uključuje prijenos apsorbiranog kisika iz mase tekućine u stanice mikroorganizama, uglavnom pod utjecajem turbulentnih pulsacija.
Najpouzdaniji način povećanja opskrbe otpadne vode kisikom je povećanje intenziteta fragmentacije toka plina, tj. smanjenje veličine mjehurića plina. Brzina potrošnje kisika ovisi o mnogim međusobno povezanim čimbenicima: količini biomase, brzini rasta i fiziološkoj aktivnosti mikroorganizama, vrsti i koncentraciji hranjivih tvari, nakupljanju toksičnih metaboličkih produkata, količini i prirodi hranjivih tvari te sadržaju kisika. u vodi.
3. Utjecaj različitih čimbenika na proces biokemijskog pročišćavanja
Učinkovitost biološkog pročišćavanja ovisi o nizu čimbenika, od kojih su neki podložni mijenjanju i regulaciji u širokim rasponima, dok je regulacija drugih, kao što je, na primjer, sastav otpadnih voda koje ulaze u pročišćavanje, praktički nemoguća. Glavni čimbenici koji određuju propusnost sustava i stupanj pročišćavanja otpadnih voda su: prisutnost kisika u vodi, ujednačenost protoka otpadne vode i koncentracija nečistoća u njoj, temperatura, pH okoline, miješanje, prisutnost toksičnih nečistoća i hranjivih tvari, koncentracija biomase itd.
Najpovoljniji uvjeti čišćenja su sljedeći. Koncentracija biokemijski oksidirajućih tvari u pročišćenoj otpadnoj vodi ne smije prelaziti dopuštenu vrijednost MK b ili MK bos, koja se obično utvrđuje eksperimentalno. Otpadne vode s višim koncentracijama moraju se razrijediti. Maksimalne granice koncentracije za tvari koje ulaze u postrojenja za biološki tretman navedene su u literaturi.
Opskrba postrojenja za biokemijsku obradu kisikom iz zraka mora biti kontinuirana iu takvoj količini da pročišćena otpadna voda koja izlazi iz sekundarnog taložnika sadrži najmanje 2 mg/l. Brzina otapanja kisika u vodi ne smije biti niža od brzine njegove potrošnje od strane mikroorganizama. U početnom razdoblju oksidacije brzina potrošnje kisika može biti desetke puta veća nego na kraju procesa, ovisi o prirodi onečišćenja vode i proporcionalna je količini biomase.
Smatra se da je optimalna temperatura za aerobne procese koji se odvijaju u postrojenjima za pročišćavanje otpadnih voda 20-30 °C, iako temperaturni optimum za bakterije različitih skupina varira u širokim rasponima, od -8 °C do +85 °C. Povećanje temperature iznad fiziološke norme mikroorganizama dovodi do njihove smrti, a smanjenje samo smanjuje aktivnost mikroorganizama. Porastom temperature smanjuje se topljivost kisika u vodi, pa je u toploj sezoni potrebno provoditi intenzivnije prozračivanje, a zimi je potrebno održavati veću koncentraciju mikroorganizama u optočnom mulju i povećati trajanje od prozračivanja.
Optimalna reakcija okoline za značajan dio bakterija je neutralna ili blizu nje, iako postoje vrste koje se dobro razvijaju u kiseloj (gljive, kvasci) ili blago alkalnoj sredini (aktomicete).
Za normalan proces sinteze stanične tvari, a time i za učinkovit proces pročišćavanja otpadnih voda, mora postojati dovoljna koncentracija svih hranjivih tvari – organskog ugljika (BPK), dušika, fosfora.
Osim osnovnih elemenata stanice (C, O, N, H), za njezinu izgradnju u malim količinama potrebni su i drugi sastojci - mikroelementi (Mn, Cu, Zn, Mo, Mg, Co i dr.). Sadržaj ovih elemenata u prirodnim vodama iz kojih nastaju otpadne vode obično je dovoljan za biokemijsku oksidaciju. Nedostatak dušika inhibira oksidaciju organskih zagađivača i dovodi do stvaranja mulja koji se teško taloži. Nedostatak fosfora inicira razvoj filamentnih bakterija, što je glavni razlog bubrenja aktivnog mulja, lošeg taloženja i uklanjanja iz postrojenja za pročišćavanje, sporijeg rasta mulja i smanjenja intenziteta oksidacije. Biogeni elementi najbolje se apsorbiraju u obliku spojeva u kojima se nalaze u mikrobnim stanicama: dušik - u obliku NH 4, a fosfor - u obliku soli fosforne kiseline. U slučaju nedostatka dušika, fosfora ili kalija u otpadnu vodu dodaju se različita dušična, kalijeva i fosforna gnojiva. Ovi elementi su sadržani u otpadnim vodama iz kućanstva, tako da mnoge kemikalije mogu imati toksični učinak na mikroorganizme, remeteći njihove vitalne funkcije. Takve tvari, ulazeći u bakterijsku stanicu, stupaju u interakciju s njezinim komponentama i ometaju njihove funkcije, među kojima su: S in, Ag, Cu, Co, Hg, Pv itd. Količina suspendiranih čestica ne smije biti veća od 100 mg/l za biološke filtere i 150 mg/l za aeracijske tankove.
Intenzitet i učinkovitost pročišćavanja otpadnih voda ne ovisi samo o životnim uvjetima mikroorganizama, već io njihovoj količini, tj. doza aktivnog mulja, koja se održava u aeracijskim spremnicima, obično je 2-4 g/l. Povećanje koncentracije mikroorganizama u otpadnoj vodi omogućuje vam ubrzanje procesa biološke obrade, ali istodobno je potrebno povećati količinu kisika otopljenog u vodi, što je ograničeno stanjem zasićenja, i poboljšati uvjete prijenosa mase. . Za biološki tretman potrebno je koristiti “mladi” aktivni mulj star 2-3 dana. Ne bubri, otporniji je na promjene temperature i pH, a njegove male ljuskice bolje se talože. Važan uvjet za poboljšanje biološke obrade i smanjenje volumena postrojenja za pročišćavanje je regeneracija aktivnog mulja, koja se sastoji od njegove aeracije u nedostatku hranjivog supstrata.
Za stvaranje najpovoljnijih uvjeta za masovni prijenos hranjivih tvari i kisika na površinu mikrobnih stanica potrebno je miješanje otpadne vode i aktivnog mulja. U tom slučaju turbulizacija tekućine dovodi do uništavanja pahuljica aktivnog mulja, obnavljanja njihove površine, bolje opskrbe stanica hranjivim tvarima i kisikom, te stvara povoljnije životne uvjete za mikroorganizme.
4. Klasifikacija biokemijskih metoda
Poznate su aerobne i anaerobne metode biokemijske obrade. Aerobne metode temelje se na korištenju aerobnih skupina mikroorganizama za čiji život je potreban konstantan protok kisika i temperatura od 20-40°C. Promjenom temperature i uvjeta kisika mijenja se sastav i broj mikroorganizama koji se uzgajaju u aktivnom mulju ili biofilmu. Anaerobne metode odvijaju se bez kisika i koriste se uglavnom za obradu mulja. Cjelokupni skup bioloških postrojenja za obradu može se podijeliti u tri skupine na temelju lokacije aktivne biomase u njima:
1) aktivna biomasa je fiksirana na nepokretnom materijalu, a otpadna voda klizi u tankom sloju preko utovarnog materijala - biofiltera;
2) aktivna biomasa nalazi se u vodi u slobodnom (suspendiranom) stanju - aeracijski tankovi, cirkulacijski oksidacijski kanali, oksitankovi;
3) kombinacija obje opcije za smještaj biomase - potopni biofilteri, biotankovi, aeracijski spremnici s punilima.
Biološko pročišćavanje može se provoditi iu prirodnim uvjetima u objektima za pročišćavanje tla i biološkim bazenima.
4.1. Aerobne metode čišćenja.
Pročišćavanje u poljima za navodnjavanje, filtracijskim poljima i biološkim jezercima odlikuje se relativno niskim troškovima izgradnje i rada, kapacitetom puferiranja tijekom pražnjenja otpadnih voda, fluktuacijama pH, temperature i dovoljnim stupnjem uklanjanja hranjivih tvari iz vode. Nedostaci uključuju sezonalnost rada i nisku stopu oksidacije onečišćenja. Polja za navodnjavanje i polja za filtriranje su metode obrade tla.
Polja za navodnjavanje su poljoprivredna zemljišta posebno namijenjena za pročišćavanje otpadnih voda i istovremeno uzgoj biljaka. U filtracijskim poljima pročišćavanje se provodi bez sudjelovanja biljaka. Pročišćavanje otpadnih voda u poljima za navodnjavanje temelji se na utjecaju mikroflore tla, kisika u zraku, sunca i aktivnosti biljaka. Aktivni sloj tla debljine 1,5-2 m uključen je u različitim stupnjevima u pročišćavanje otpadnih voda.Mineralizacija organske tvari događa se uglavnom u gornji sloj zemlje od pola metra. Istodobno se povećava plodnost tla, što je povezano s obogaćivanjem tla nitratima, fosforom i kalijem. Međutim, ukupni sastav soli u otpadnoj vodi ne smije prelaziti 4-6 g/l kako bi se spriječilo zaslanjivanje tla. Otpadne vode se isporučuju na polja za navodnjavanje periodično u intervalima od 5 dana. Zimi, za područja s hladnim zimama, otpadna voda se zamrzava. Za prikupljanje otpadnih voda koje se koriste u poljima za navodnjavanje koriste se akumulacijski bazeni kapaciteta šest mjeseci akumulacije vode u njima.
Biološki ribnjaci- umjetno stvoreni ili prirodni rezervoari u kojima se pročišćavanje otpadnih voda odvija pod utjecajem prirodnih procesa samopročišćavanja. Mogu se koristiti i za samopročišćavanje i za dubinsko naknadno pročišćavanje otpadnih voda koje su prošle biološki tretman. To su plitki rezervoari (0,5-1 m), dobro zagrijani suncem i naseljeni vodenim organizmima.
U procesima koji se odvijaju u biobazenima promatra se potpuni prirodni ciklus razgradnje organskih zagađivača. Utjecaj različitih čimbenika na rad ribnjaka može u njima stvoriti aerobne i aerobno-anaerobne uvjete. Ribnjaci koji stalno rade u aerobnim uvjetima nazivaju se gazirani, a ribnjaci s promjenjivim uvjetima fakultativni.
Aerobni uvjeti u ribnjacima mogu se održavati ili prirodnom opskrbom kisikom iz atmosfere i fotosintezom ili prisilnim uvođenjem zraka u vodu. Stoga se razlikuju ribnjaci s prirodnim i umjetnim prozračivanjem. Vrijeme zadržavanja vode u jezercima s prirodnom aeracijom kreće se od 7 do 60 dana. Zajedno s otpadnom vodom iz sekundarnih taložnika uklanja se i aktivni mulj koji je sjemenski materijal. Učinkovitost čišćenja u ribnjacima određena je dobom godine, a tijekom hladnog razdoblja naglo se smanjuje.
Ribnjaci s umjetnom aeracijom imaju znatno manji volumen, a potreban stupanj pročišćavanja obično se postiže za 1-3 dana.
Biofilteri - umjetne biološke strukture za pročišćavanje - su okrugle ili pravokutne strukture od opeke ili armiranog betona, opterećene filterskim materijalom, na čijoj se površini razvija biofilm. Otpadna voda se filtrira kroz utovarni sloj prekriven filmom mikroorganizama, zbog čije se vitalne aktivnosti provodi pročišćavanje. Potrošeni (mrtvi) biofilm ispire se tekućom otpadnom vodom i uklanja iz biofiltera.
Ovisno o vrsti materijala za punjenje, biofiltri se dijele u dvije kategorije: s volumetrijskim (granularnim) i ravnim punjenjem. Kao zrnasto punjenje koristi se drobljeni kamen, šljunak, šljunak, troska, ekspandirana glina, keramički i plastični prstenovi, kocke, kugle, cilindri itd. Ravni utovar sastoji se od metalnih, tkanina i plastičnih mreža, rešetki, blokova, valovitih ploča, filmova itd., često smotanih u role.
Biofilteri s volumetrijskim punjenjem dijele se na kapajuće, visokoopterećene i toranjske. Biofiltri kap po kap su najjednostavniji po izvedbi, pune se materijalom sitnih frakcija visine 1-2 m i imaju kapacitet do 1000 m 3 /dan, postižu visok stupanj pročišćavanja. U filtrima s visokim opterećenjem koristi se veća veličina utovarnih komada, a njihova visina je 2-4 m. Visina utovara u tornjastim filtrima doseže 8-16 m. Zadnje dvije vrste filtara koriste se pri protoku otpadne vode do do 50 tisuća m 3 / dan, kako za potpuno, tako i za nepotpuno biološko pročišćavanje.
Biološki filtri s ravnim punjenjem imaju značajno veći oksidacijski kapacitet od filtara s volumetrijskim punjenjem. Oksidacijski kapacitet je brzina otapanja kisika tijekom prozračivanja potpuno deoksigenirane vode pri atmosferskom tlaku i temperaturi od 20 °C (g O 2 /h)); Blizak mu je pojam oksidativne moći - brzina reakcija oksidacije polutanata (g O 2 / (m 3 h)).
Srednju poziciju između aeracijskih spremnika i biofiltera zauzimaju potopni biofilteri i biospremnici-biofilteri.
Potopni (disk) biofilteri su spremnici u kojima se nalazi rotirajuća osovina na koju su postavljeni diskovi koji su u naizmjeničnom kontaktu s otpadnom vodom i zrakom. Veličina diskova je 0,5-3 m, razmak između njih je 10-20 mm, mogu biti metalni, plastični i azbestno-cementni, broj diskova na osovini je od 20 do 200. . Biofilter za biospremnik je kućište koje sadrži elemente za punjenje u ladicu raspoređene u šahovskom uzorku. Ovi elementi se navodnjavaju odozgo vodom, koja, puneći ih, teče niz rubove. Na vanjskim površinama elemenata stvara se biofilm, a unutar njih nastaje biomasa nalik aktivnom mulju. Dizajn osigurava visoku učinkovitost i učinkovitost čišćenja.
Na principu strujanja zraka u debljinu aeriranog tereta, biofiltri mogu biti s prirodnom i prisilnom aeracijom.
Tijekom perioda pokretanja bioloških filtara, biološki film se uzgaja na komadićima hrane. Glavni agent ovog filma je mikrobna populacija. Biofilmski mikroorganizmi koriste organske nečistoće u otpadnoj vodi kao izvore prehrane i disanja, a masa biofilma se povećava. Kako se debljina filma povećava, on umire i ispire ga tekuća otpadna voda. Voda pročišćena u biofilteru zajedno s česticama mrtvog biofilma ulazi u sekundarni taložnik. Recikliranje biološki aktivnog materijala obično nije predviđeno zbog visokog kapaciteta zadržavanja strukture mase biofilma.
Kod prijema otpadnih voda s BPK > 300 mg/l, kako bi se izbjeglo učestalo zamuljivanje površine biofiltera, predviđena je recirkulacija – povrat dijela pročišćene vode za razrjeđivanje izvorne otpadne vode. Recirkulacijom pročišćene vode povećava se sadržaj otopljenog kisika u smjesi, održava ravnomjernije hidrauličko opterećenje i ujednačava koncentracija biofilma po visini konstrukcije. Međutim, to povećava potrebu za volumenom taložnika i povećava potrošnju energije za crpljenje vode.
Distribucija otpadne vode po površini biofiltera vrši se stacionarnim prskalicama (sprinklerima) ili rotirajućim mlaznim prskalicama s cikličkim dovodom vode 5-10 minuta.
Primjena biofiltera ograničena je mogućnošću njihovog zamuljivanja, smanjenjem oksidativne moći tijekom rada, pojavom neugodnih mirisa i otežanim ravnomjernim rastom filma.
Čišćenje u aeracijskim spremnicima. Aerobno biološko pročišćavanje velikih količina otpadnih voda provodi se u aeracijskim spremnicima - armiranobetonskim gaziranim konstrukcijama sa slobodno plutajućim aktivnim muljem u volumenu pročišćene vode, čija biopopulacija koristi onečišćenje otpadnih voda za život.
Aerotenkovi se mogu klasificirati prema sljedećim kriterijima:
1) prema strukturi protoka - spremnici za prozračivanje-displacers, spremnici za prozračivanje-mješalice i spremnici za prozračivanje s raspršenim ulazom otpadne tekućine (srednji tip);
2) prema načinu regeneracije aktivnog mulja - aeracijski spremnici sa zasebnim ili kombiniranim regeneratorima mulja;
3) prema opterećenju aktivnog mulja - visokoopterećeni (za nepotpunu obradu), obični i niskoopterećeni (s produženim prozračivanjem);
4) prema broju stupnjeva - jedno-, dvo- i višestupanjski;
5) prema načinu dovoda otpadnih voda - protočne, poluprotočne, s promjenjivom radnom razinom, kontaktne;
6) prema vrsti prozračivanja - pneumatski, mehanički, kombinirani hidrodinamički ili pneumomehanički;
7) prema konstrukcijskim karakteristikama - pravokutni, okrugli, kombinirani, okna, filtarski spremnici, flotacijski spremnici itd.
Aerotankovi se koriste u iznimno širokom rasponu protoka otpadnih voda od nekoliko stotina do milijuna kubičnih metara dnevno.
U aeracijskim spremnicima-mješalicama, opterećenje mulja i brzina oksidacije kontaminanata praktički su nepromijenjeni duž duljine konstrukcije. Najprikladniji su za pročišćavanje koncentrirane (BPK do 1000 mg/l) industrijske otpadne vode sa značajnim fluktuacijama u protoku i koncentraciji onečišćenja. U aeracijskim spremnicima-displacersima, opterećenje zagađivača na mulju i brzina njihove oksidacije variraju od najviših vrijednosti na početku izgradnje do najnižih na kraju. Takve strukture se koriste ako je osigurana dovoljno laka adaptacija aktivnog mulja. U aeracijskim spremnicima s disperziranom opskrbom vodom po duljini, jedinična opterećenja mulja smanjuju se i postaju ujednačena. Takvi se objekti koriste za pročišćavanje mješavina industrijskih i komunalnih otpadnih voda. Rad spremnika za prozračivanje neraskidivo je povezan s normalnim radom sekundarnog taložnika iz kojeg se kontinuirano pumpa povratni aktivni mulj u spremnik za prozračivanje. Umjesto sekundarnog taložnika, za odvajanje mulja od vode može se koristiti flotator.
U jednostupanjskom sustavu bez regeneratora nemoguće je intenzivirati proces pročišćavanja otpadnih voda. U prisutnosti regeneratora, procesi oksidacije završavaju u njemu i mulj dobiva svoja izvorna svojstva. Jednostupanjske sheme bez regeneracije mulja koriste se pri BPK od 150 mg/l. Dvostupanjska shema se koristi kada je početna koncentracija organskih onečišćujućih tvari u vodi visoka, kao i kada se u vodi nalaze tvari čije brzine oksidacije naglo variraju. U prvom stupnju pročišćavanja BPK otpadne vode smanjuje se za 50-70%.
Kako bi se osigurao normalan napredak procesa biološke oksidacije, zrak se mora kontinuirano dovoditi u spremnik za prozračivanje. Sustav prozračivanja je kompleks konstrukcija i posebne opreme koja opskrbljuje tekućinu kisikom, održava mulj u suspenziji i stalno miješa otpadnu vodu s muljem. Za većinu vrsta spremnika za prozračivanje, sustav za prozračivanje osigurava da se ove funkcije izvode istovremeno. Prema načinu raspršivanja zraka u vodi u praksi se koriste sljedeći sustavi prozračivanja: pneumatski, mehanički, pneumomehanički i mlazni. U našoj zemlji sve je rašireniji pneumatski sustav prozračivanja.
Moderni aeracijski spremnik je tehnološki fleksibilna struktura, koja je armiranobetonski spremnik hodnika opremljen sustavom za prozračivanje. Radna dubina aeracijskih spremnika uzima se od 3 do 6 m, omjer širine hodnika i radne dubine je od 1:1 do 2:1. Za aeracijske spremnike i regeneratore, broj sekcija mora biti najmanje dva; s produktivnošću do 50 tisuća m 3 / dan, dodijeljeno je 4-6 odjeljaka, s većom produktivnošću od 8-10 odjeljaka, svi rade. Svaka sekcija sastoji se od 2-4 hodnika.
Potisni aeracijski spremnici su dugi hodnički objekti u kojima se voda i aktivni mulj dovode na početak objekta, a muljna smjesa se ispušta na kraju. U ovom slučaju praktički nema miješanja ulazne vode s prethodno primljenom. Takvi aeracijski spremnici sastoje se od nekoliko hodnika i mogu biti sa ili bez ugrađenog regeneratora. Duljina takvih spremnika za prozračivanje doseže 50-150 m, a volumen je od 1,5 do 30 tisuća m 3. U velikoj mjeri, način pomaka odgovara dizajnu aeracijskih spremnika staničnog tipa.Oni su pravokutne tlocrtne strukture, podijeljene na nekoliko odjeljaka poprečnim pregradama. Smjesa iz prvog odjeljka ulazi u drugi (odozdo), iz drugog u treći teče kroz pregradu (odozgo) itd. U svakoj se ćeliji uspostavlja potpuni način miješanja, a zbroj niza sekvencijalnih miješalica čini gotovo idealan istiskivač. Time se sprječava povratno kretanje vode i nema uzdužnog miješanja.
Otpadne vode i mulj u aerospremnicima-mješalicama dovode se i odvode ravnomjerno po dužim stranama konstrukcije. Vjeruje se da se ulazna smjesa vrlo brzo (u izračunima odmah) miješa sa sadržajem cijelog spremnika za prozračivanje. To omogućuje ravnomjernu raspodjelu organskih onečišćenja i otopljenog kisika te osigurava rad konstrukcije u stalnim uvjetima i velikim opterećenjima. Širina hodnika miješalice za aeraciju je 3-9 m, broj hodnika je 2-4, duljina do 150 m.
U usporedbi s aeracijskim spremnicima-displacerima, aeracijski spremnici-mješalice imaju visoku zaostalu koncentraciju nečistoća u pročišćenoj vodi. Stoga ih je preporučljivo koristiti za pročišćavanje koncentrirane otpadne vode u prvoj fazi, a aeracijski spremnici-displaceri - u drugoj fazi.
Aero tenkovi- miješalice se mogu spojiti sa sekundarnim taložnicima i napraviti odvojeno od njih. Aero-taložni spremnici (aero-akceleratori) su kompaktni, omogućuju vam povećanje recirkulacije smjese mulja bez upotrebe posebnih crpnih stanica, poboljšavaju režim kisika u taložnom spremniku i povećavaju dozu mulja na 3-5 g / l, shodno tome povećavajući oksidativnu moć.
Spremnici za prozračivanje srednjeg tipa kombiniraju elemente spremnika za prozračivanje s istiskivanjem i spremnika za prozračivanje s miješanjem. Tu spadaju aeracijski spremnici s disperziranom opskrbom vodom i koncentriranim dovodom aktivnog mulja, kao i kaskada aeracijskih spremnika-mješalica. Oni stvaraju uvjete za višu prosječnu koncentraciju aktivnog mulja nego u aerospremnicima-displacerima, te omogućuju veću kvalitetu čišćenja nego u aerotancima-mješalicama. Izvode se u obliku dvo- ili četverohodnih konstrukcija. Kapitalni troškovi za izgradnju takvih spremnika za prozračivanje smanjeni su za najmanje 15% u usporedbi s gore navedenim, uz održavanje visoke kvalitete čišćenja.
Oksitankovi su namijenjeni za biokemijsku obradu otpadnih voda, gdje se umjesto zraka koristi tehnički kisik. Zahvaljujući tome stvaraju se uvjeti za povećanje doze aktivnog mulja (do 6-10 g/l), smanjuje se utrošak energije za prozračivanje, povećava se oksidacijska moć (5-10 puta veća od one kod spremnika za prozračivanje), te učinkovitost korištenja kisika je 90-95%.
Tipične sheme za biokemijsku obradu uključuju, u pravilu, niz instalacija za usrednjavanje otpadne vode, njenu mehaničku obradu, sam objekt za biološku obradu, uređaje za pripremu i doziranje reagensa, naknadnu obradu otpadne vode i obradu mulja. Sheme mogu biti jednostupanjske ili višestupanjske. Prema gornjoj shemi provodi se zajednička obrada industrijskih i kućnih otpadnih voda. S takvim čišćenjem proces se odvija stabilnije i potpunije, jer Kućna otpadna voda sadrži hranjive tvari i također razrjeđuje industrijsku otpadnu vodu. Otpadne vode, prethodno pročišćene u postrojenjima za mehaničku obradu, šalju se na biološku obradu u aeracijske spremnike s regeneratorima. Aktivni mulj koji se oslobađa u sekundarnim taložnicima dijeli se na dva toka: cirkulirajući mulj se crpnom stanicom pumpa u regenerator, a zatim u spremnik za prozračivanje; višak mulja šalje se na bistrenje u primarne taložnike. Pročišćena voda se klorira i šalje u rezervoar ili vraća u proizvodnju. Izdvojeni mulj se obrađuje u digestorima i odvodnjava na muljnim slojevima, a plin koji se oslobađa tijekom digestije spaljuje se u kotlovnici.
4.2. Anaerobne metode čišćenja.
Proces anaerobne digestije može se koristiti za neutralizaciju kanalizacijskog mulja i prethodnu obradu koncentrirane otpadne vode. Ovisno o konačnoj vrsti proizvoda razlikuju se sljedeći tipovi vrenja: alkoholno, propionsko kiselo, mliječno kiselo, metansko i dr. Krajnji produkti vrenja su alkoholi, kiseline, aceton, plinovi vrenja (CO 2, H 2, CH 4).
Metanska fermentacija koristi se za pročišćavanje otpadnih voda. Ovaj proces je složen i sastoji se od više faza, au metanskoj fermentaciji razlikuju se dvije faze. U prvoj fazi vrenja (kiseloj) dolazi do razgradnje složenih organskih tvari uz nastanak organskih kiselina, te alkohola, amonijaka, acetona, H 2 S, CO 2, H 2 itd., uslijed čega otpadna voda se zakiseli na pH = 5-6. Zatim se pod djelovanjem metanskih bakterija (alkalna faza) razaraju kiseline uz nastanak CH 4 i CO 2. Vjeruje se da su stope transformacije u obje faze iste. U prosjeku, stupanj razgradnje organskih spojeva je 40%.
Procesi metanske fermentacije odvijaju se u digestorima - hermetički zatvorenim spremnicima opremljenim uređajima za uvođenje prerađenog mulja i uklanjanje fermentiranog mulja.
Procesi fermentacije odvijaju se u mezofilnim (30-35 °C) i termofilnim (50-55 °C) uvjetima. U termofilnim uvjetima dolazi do intenzivnijeg razaranja organskih spojeva. Digester je armirano-betonski spremnik stožastog dna, opremljen uređajem za hvatanje i uklanjanje plina, te također opremljen grijačem i mješalicom. Koriste se digestori promjera do 20 m i korisnog volumena do 4000 m 3 .
Proces fermentacije otpadnih voda odvija se u dvije faze. U tom slučaju se dio taloga iz drugog digestora vraća u prvi, gdje je osigurano dobro miješanje. Tijekom fermentacije oslobađaju se plinovi s prosječnim sadržajem CH 4 - 63-65%, CO 2 - 32-34%. Kalorična vrijednost plina je 23 MJ/kg, izgara u ložištima parnih kotlova. Nastala para koristi se za zagrijavanje taloga u digestorima ili za druge svrhe.
Bibliografija
Tehnologija zaštite okoliša /Rodionov A.I., Klushin V.N., Torocheshnikov N.S. Udžbenik za sveučilišta. – M.: Kemija, 1989.
Komarova L.F., Kormina L.A. Inženjerske metode zaštite okoliša. Tehnologija zaštite atmosfere i hidrosfere od industrijskog onečišćenja: Udžbenik. – Barnaul, 2000.
Ove metode se koriste za pročišćavanje kućnih i industrijskih otpadnih voda od mnogih topivih organskih i nekih anorganskih (sumporovodik, amonijak, sulfidi, nitriti, itd.) tvari. Proces pročišćavanja temelji se na sposobnosti mikroorganizama da koriste navedene tvari za prehranu u procesu života - organske tvari za mikroorganizme su izvor ugljika. Biokemijska obrada otpadnih voda može se odvijati u aerobnim (biokemijska oksidacija) i anaerobnim (biološka razgradnja) uvjetima.
Anaerobni tretman nastaje pod utjecajem anaerobnih mikroorganizama, posljedično se smanjuje količina organskih onečišćujućih tvari sadržanih u otpadnim vodama zbog njihove pretvorbe u plinove (metan, ugljični dioksid) i otopljene soli, kao i rast biomase anaerobnih biljaka. Razgradnja se odvija u 2 faze: prvo se organska tvar pretvara u organske kiseline i alkohole (prva skupina mikroorganizama), a zatim organske kiseline i alkohole u metan i ugljikov dioksid (druga skupina mikroorganizama).
Proces u cjelini ovisi o održavanju okoline povoljne za obje skupine mikroorganizama, a ravnoteža između faza mora biti takva da se kiseline uklanjaju istom brzinom kojom se stvaraju. Anaerobna metoda koristi se uglavnom za digestiju viška aktivnog mulja koji nastaje tijekom anaerobne obrade.
Pročišćavanje u anaerobnim uvjetima odvija se u prisutnosti kisika otopljenog u vodi, što predstavlja modifikaciju prirodnog procesa samopročišćavanja rezervoara koji se odvija u prirodi. Za biotretman industrijskih otpadnih voda najčešći su procesi s aktivnim muljem koji se provode u aeracijskim spremnicima. Aktivni mulj nastaje zbog lebdećih čestica koje se ne zadržavaju taloženjem, te od koloidnih tvari na kojima se razmnožavaju mikroorganizmi. Aktivni mulj u gaziranoj tekućini značajno ubrzava oksidacijske procese i stvara uvjete za adsorpcijske procese organskih tvari.
Razgradnja organskih tvari na ugljični dioksid i druge bezopasne produkte oksidacije događa se zbog biocenoze, tj. kompleks svih bakterija i protozojskih mikroorganizama koji se razvijaju u određenoj strukturi. Potrošnja organskih komponenti otpadne vode mikroorganizmima odvija se u 3 faze: 1) prijenos mase organske tvari i kisika iz tekućine na površinu stanice; 2) difuzija tvari i kisika kroz polupropusnu staničnu membranu; 3) metabolizam raspršenih proizvoda, praćen povećanjem biomase, oslobađanjem energije, ugljičnog dioksida itd.
Intenzitet i učinkovitost biološke obrade otpadnih voda određena je brzinom bakterijske razgradnje.
Biološko pročišćavanje otpadnih voda može se provoditi u prirodnim ili umjetnim uvjetima.
U prirodnim uvjetima koriste se posebno pripremljene parcele (polja za navodnjavanje i filtriranje) ili biološka jezerca. To su zemljani rezervoari dubine 0,5¸1 m, u kojima se odvijaju isti procesi kao i kod samopročišćavanja rezervoara.
Polja za navodnjavanje– posebno uređene zemljišne čestice koje se istovremeno koriste za pročišćavanje otpadnih voda i poljoprivredne svrhe, tj. za uzgoj žitarica i silažnih usjeva, začinskog bilja, povrća, kao i za sadnju grmlja i drveća. Filtracijska polja namijenjena su samo za biološko pročišćavanje otpadnih voda.
Polja za navodnjavanje i biološki bazeni nalaze se na terenu koji ima stepenasti nagib tako da voda teče gravitacijom s jednog prostora na drugi. Čišćenje od zagađivača događa se procesom filtriranja vode kroz tlo, u kojem se zadržavaju suspendirane i koloidne čestice koje stvaraju film u porama tla. Prodiranje kisika u dublje slojeve tla je otežano, pa se najjača oksidacija događa u gornjim slojevima tla, tj. na dubini do 0,2¸0,4 m.
Biološka jezerca– namijenjene za biološku obradu i naknadnu obradu otpadnih voda u kombinaciji s drugim uređajima za obradu. Izrađene su u obliku kaskade ribnjaka, koji se sastoji od 3-5 koraka. Proces pročišćavanja otpadnih voda provodi se prema sljedećoj shemi: bakterije koriste kisik koji oslobađaju alge tijekom fotosinteze, kao i kisik iz zraka, za oksidaciju zagađivača. Alge troše ugljični dioksid, fosfate i amonijačni dušik koji se oslobađa tijekom biokemijske razgradnje organske tvari. Stoga je za normalan rad ribnjaka potrebno održavati optimalne pH vrijednosti i temperaturu otpadnih voda. Temperatura mora biti najmanje 6°C, pa se zimi ribnjaci ne koriste.
Postoje ribnjaci s prirodnom i umjetnom aeracijom. Dubina ribnjaka s prirodnim površinskim prozračivanjem ne prelazi 1 m. Kod umjetnog prozračivanja ribnjaka pomoću mehaničkih perlatora ili upuhivanja zraka kroz vodeni stup, njihova se dubina povećava na 3 m. Korištenje umjetnog prozračivanja ubrzava procese pročišćavanja vode. Nedostaci ribnjaka su niska oksidacijska sposobnost, sezonski rad i potreba za velikim površinama.
Postrojenja za umjetnu biološku obradu Ovisno o položaju aktivne biomase u njima, mogu se podijeliti u 2 skupine: 1) aktivna biomasa je suspendirana u pročišćenoj otpadnoj vodi (aerotankovi, oksitankovi); 2) aktivna biomasa je fiksirana na nepokretnom materijalu, a otpadna voda teče oko nje u tankom sloju filma (biofilteri).
Aero tenkovi To su armiranobetonski spremnici, pravokutnog tlocrta, podijeljeni pregradama na zasebne hodnike.
Otpadne vode nakon postrojenja za mehaničku obradu miješaju se s povratnim aktivnim muljem (biocenoza) i, sukcesivno prolazeći kroz hodnike spremnika za prozračivanje, ulaze u sekundarni taložnik. Vrijeme zadržavanja pročišćene otpadne vode u spremniku za prozračivanje, ovisno o sastavu, kreće se od 6 do 12 sati. Tijekom tog vremena glavnina organskih onečišćujućih tvari prerađuje biocenoza aktivnog mulja. Za održavanje aktivnog mulja u suspenziji, njegovo intenzivno miješanje i zasićenje obrađene smjese kisikom iz zraka, u spremnike za prozračivanje ugrađuju se različiti sustavi prozračivanja (obično mehanički ili pneumatski). Iz aeracijskih spremnika mješavina pročišćene otpadne vode i aktivnog mulja ulazi u sekundarni taložnik, odakle se aktivni mulj koji se istaložio na dno posebnim uređajima (muljnim pumpama) ispušta u spremnik crpne stanice, a pročišćeni otpadna voda se dovodi na daljnje pročišćavanje ili se dezinficira. U procesu biološke oksidacije povećava se biomasa aktivnog mulja. Kako bi se stvorili optimalni uvjeti za njegov život, višak mulja uklanja se iz sustava i šalje u postrojenja za obradu mulja, a glavni dio u obliku povratnog mulja vraća se u aeracijski spremnik.
Kompleksi postrojenja za pročišćavanje, koji uključuju aeracijske spremnike, imaju kapacitet od nekoliko desetaka do 2¸3 milijuna m3 otpadnih voda dnevno.
Umjesto zraka, za pneumatsko prozračivanje otpadne vode može se dovoditi čisti kisik. Za ovaj proces koriste se oksitankovi, koji se po dizajnu nešto razlikuju od aeracijskih spremnika. Oksidativni kapacitet oksitenka je 3 puta veći.
Biofilteri pronalaženje široke primjene uz dnevnu potrošnju kućnih i industrijskih otpadnih voda do 20-30 tisuća m 3 dnevno. Najvažnija komponenta biofiltera je materijal za punjenje. Ovisno o vrsti materijala za opterećenje, dijele se u 2 kategorije: s volumetrijskim i ravnim opterećenjem. Biofilteri su okrugli i pravokutni spremnici koji se pune utovarnim materijalom. Volumetrijski materijal koji se sastoji od šljunka, ekspandirane gline, troske s frakcijskom veličinom od 15¸80 mm, nakon sortiranja frakcija, ispunjen je slojem visine 2¸4 m. Planarni materijal izrađen je u obliku tvrdih (prstenastih, cjevastih elemenata od plastike, keramike, metala) i mekih (rolanih tkanina) blokova, koji su montirani u tijelo biofiltera u sloju debljine 8 m.
Otpadne vode koje se dovode iznad površine utovarnog materijala ravnomjerno se raspoređuju kroz njega, dok se na površini materijala stvara biološki film (biocenoza), sličan aktivnom mulju u aeracijskim spremnicima. Materijal za punjenje podupire rešetkasto dno, kroz čije rupe pročišćena otpadna voda ulazi u čvrsto dno biofiltera i ispušta se iz biofiltera u sekundarni taložnik pomoću ladica.
Biofilteri s volumetrijskim punjenjem učinkoviti su za kompletnu biološku obradu. Biofiltri s ravnim opterećenjem također se mogu koristiti za potpunu biološku pročišćavanje, ali ih je svrsishodnije koristiti kao prvi stupanj dvostupanjskog biološkog pročišćavanja kada dolazi do izbijanja visoko koncentriranih industrijskih otpadnih voda ili kada se rekonstruiraju kompleksi za pročišćavanje.
Prilikom rada postrojenja za biološko pročišćavanje potrebno je pridržavati se tehnoloških propisa njihovog rada, izbjegavati preopterećenja, a posebno nalet toksičnih komponenti, jer takva kršenja mogu imati štetan učinak na život organizama. Stoga u otpadnoj vodi koja se šalje na biološko pročišćavanje sadržaj nafte i naftnih derivata ne smije biti veći od 25 mg/l, površinski aktivnih tvari - ne više od 50 mg/l, otopljenih soli - ne više od 10 g/l.
Biološka obrada ne osigurava potpuno uništenje svih patogenih bakterija u otpadnim vodama. Stoga se nakon toga voda dezinficira tekućim klorom ili izbjeljivačem, ozonizacijom, ultraljubičastim zračenjem, elektrolizom ili ultrazvukom.
Dezinfekcija pročišćene otpadne vode provodi se radi uništavanja patogenih bakterija, virusa i mikroorganizama sadržanih u njoj; učinak dezinfekcije trebao bi biti gotovo 100%. Stoga se nakon potpunog pročišćavanja u otpadnu vodu uvode spojevi klora ili drugi jaki oksidansi (ozon) koji štite vodna tijela od ulaska patogena u njih.
Najopasniji za prirodne vode, zdravlje ljudi, životinja i riba je razni radioaktivni otpad koji nastaje u nuklearnim elektranama tijekom prerade nuklearnog goriva. Pročišćavanje otpadnih voda koje sadrže radioaktivnu kontaminaciju ovisi o razini aktivnosti i saliniteta. Vode s niskim sadržajem saliniteta pročišćavaju se ionskim izmjenjivačem i aluvijalnim filtrima. Kod visokog sadržaja soli koriste se metode elektrodijalize i isparavanja, a zaostala onečišćenja uklanjaju se jedinicama za ionsku izmjenu. Sve otpadne vode s radioaktivnošću iznad dopuštene razine odvode se u posebne podzemne rezervoare ili pumpaju u duboke podzemne drenažne bazene.
Efluenti sadrže tvari organskog i anorganskog podrijetla, s mnogo više organskih. A ako je najlakši način da se riješite anorganskih inkluzija mehanički, tada su potrebne druge metode za uklanjanje organskih nečistoća. Jedan od glavnih je biološka obrada otpadnih voda. O njegovim značajkama, sortama i tehnologijama naučit ćete u ovom članku.
Voda je život, ali je konzumiramo čistu, a vraćamo prljavu. Ako se odvodi ne očiste, vrlo brzo će doći vrijeme “dragocjene vlage” koju opisuju mnogi pisci znanstvene fantastike. Priroda može sama pročistiti vodu, ali ti procesi teku vrlo sporo. Broj ljudi sve je veći, povećava se i obim potrošnje vode, pa je problem organiziranog i temeljitog pročišćavanja otpadnih voda posebno akutan. Najučinkovitija tehnologija pročišćavanja vode je biološka. Ali prije nego što razmotrite osnovna načela njegovog rada, morate razumjeti sastav vode.
Sastav kućnih otpadnih voda
Svaka kuća s tekućom vodom ima i kanalizacijski sustav. Osigurava normalne procese transporta otpadnih voda iz stanova i kuća do stanica za pročišćavanje. U kanalizacijskim cijevima nalazi se obična voda, ali ona je zagađena. U njemu ima samo 1% nečistoća, ali upravo to čini otpadnu vodu neprikladnom za daljnju upotrebu. Tek nakon pročišćavanja voda se može ponovno koristiti za piće i svakodnevnu uporabu.
Točan sastav otpadne vode ne može se imenovati, jer ovisi o mjestu gdje se uzima poseban uzorak, ali čak i na istom mjestu količina i skup nečistoća može varirati. Najčešće voda sadrži čvrste čestice, biološke nečistoće i anorganske inkluzije. S anorganskim tvarima sve je jednostavno - čak i najjednostavniji filtar ih uklanja, ali s organskim tvarima morat ćete se boriti. Ako se ništa ne poduzme, te se tvari počinju raspadati i stvaraju truli sediment (odatle neugodan karakterističan "miris kanalizacije"). Štoviše, počinje trunuti ne samo razgrađena organska tvar, već i voda.
Ukratko, otpadna voda sadrži masti, površinski aktivne tvari, fosfate, kloridne i dušikove spojeve, naftne derivate i sulfate. Ne mogu sami nestati iz vode - potrebno im je temeljito čišćenje. Problem je posebno akutan u onim kućama koje imaju autonomni sustav odvodnje i vodoopskrbe, jer svako mjesto ima i septičku jamu i bunar. Ako se odvodi ne očiste, mogu završiti u slavini – i situacija može postati opasna po život.
Metode pročišćavanja kućnih i industrijskih otpadnih voda
Otpadne vode se u prirodnim uvjetima mogu samopročišćavati, ali samo ako je njihov volumen mali. Budući da je industrijski sektor danas vrlo razvijen, na ispustu se stvaraju značajne količine otpadnih voda. A da bi čovjek dobio čistu vodu mora riješiti pitanje kanalizacije – odnosno pročistiti je. Postoji nekoliko metoda pročišćavanja otpadnih voda – mehanička, kemijska, fizikalno-kemijska i biološka. Pogledajmo pobliže značajke svakog od njih.
Mehaničko čišćenje uključuje korištenje tehnika kao što su filtracija i taloženje. Glavni alati su rešetke, sita, filteri, zamke i zamke. Kada se voda podvrgne primarnom pročišćavanju, ona ulazi u taložnik - spremnik namijenjen taloženju otpadnih voda uz stvaranje sedimenta. Mehaničko čišćenje se koristi u većini modernih sustava, ali rijetko kao samostalna metoda. Stvar je u tome što nije pogodan za uklanjanje kemijskih komponenti i organskih nečistoća.
Kemijsko pročišćavanje provodi se pomoću reagensa - posebnih kemikalija koje reagiraju s nečistoćama sadržanim u vodi i tvore netopljivi talog. Kao rezultat, sadržaj topljive suspendirane tvari smanjen je za 25%, a netopljive suspendirane tvari za 95%.
Fizikalno-kemijsko pročišćavanje uključuje korištenje tehnika kao što su oksidacija, koagulacija, ekstrakcija i tako dalje. Ovi procesi omogućuju uklanjanje anorganskih inkluzija iz vode i uništavanje slabo oksidiranih organskih nečistoća. Najpopularnija fizikalna i kemijska metoda čišćenja je elektroliza.
Biološka obrada je proces koji se temelji na korištenju specifičnih mikroorganizama i principa njihovog života. Bakterije specifično djeluju na određene organske onečišćivače, te dolazi do pročišćavanja vode.
Metode biološke obrade otpadnih voda i njihove prednosti. Stanice i strukture za biološki tretman otpadnih voda
Metode biološkog pročišćavanja otpadnih voda uključuju aeracijske tankove, biološke filtere i tzv. biojezerce. Svaka metoda ima svoje karakteristike, o kojima ćemo vam reći u nastavku.
Aero tenkovi
Ova biološka metoda pročišćavanja uključuje interakciju prethodno mehanički pročišćene otpadne vode i aktivnog mulja. Interakcija se odvija u posebnim spremnicima - sastoje se od najmanje dva odjeljka i opremljeni su sustavima za prozračivanje. Aktivni mulj sadrži veliki broj aerobnih mikroorganizama, koji u odgovarajućim uvjetima uklanjaju različite onečišćujuće tvari iz otpadnih voda. Mulj je složen sustav biocenoze u kojem bakterije uz redovitu opskrbu kisikom počinju apsorbirati organske nečistoće. Biološko pročišćavanje događa se stalno pod jednim glavnim uvjetom - zrak mora ući u vodu. Kada je organska obrada završena, razina potrošnje kisika (BPK) pada i voda se dovodi u sljedeće odjeljke.
U drugim odjeljcima, u rad su uključene nitrificirajuće bakterije koje prerađuju takav element kao što je dušik iz amonijevih soli u nitrite. Ove procese provodi jedan dio mikroorganizama, dok drugi jede nitrite i stvara nitrate. Po završetku ovog procesa, pročišćena otpadna voda se dovodi u sekundarni taložnik. Ovdje se taloži aktivni mulj, a pročišćena voda se šalje u rezervoare.
Biofilter je stanica za biološki tretman popularna među vlasnicima seoskih kuća. To je kompaktni uređaj koji uključuje spremnik s materijalom za utovar. U obliku aktivnog filma u biofilteru nalaze se mikroorganizmi koji provode iste procese kao u prvom slučaju.
Vrste instalacija:
- dvostupanjski;
- filtracija kap po kap.
Učinkovitost uređaja s filtracijom kapanjem je niska, ali jamče maksimalni stupanj pročišćavanja otpadnih voda. Drugi tip je produktivniji, ali kvaliteta čišćenja bit će približno ista kao u prvom slučaju. Oba filtera sastoje se od takozvanog "tijela", razdjelnika, sustava za odvodnju i distribuciju zraka. Princip rada biofiltera sličan je principu rada aeracijskih spremnika.
Biološka jezerca
Za pročišćavanje otpadnih voda ovom metodom mora postojati otvoreni umjetni rezervoar u kojem će se odvijati procesi samopročišćavanja. Ova metoda je najučinkovitija, prikladna su čak i plitka jezerca do jednog metra dubine. Značajna površina omogućuje dobro zagrijavanje vode, što također ima potreban učinak na vitalne procese mikroorganizama uključenih u pročišćavanje. Ova metoda je najučinkovitija u toploj sezoni - na temperaturama od oko 6 stupnjeva i niže, oksidacijski procesi se obustavljaju. Zimi se čišćenje uopće ne događa.
Vrste ribnjaka:
- uzgoj ribe (s razrjeđivanjem);
- višestupanjski (bez razrjeđivanja);
- bazeni tercijarnog tretmana.
U prvom slučaju, otpadna voda se miješa s riječnom vodom, a zatim šalje u ribnjake. U drugom, voda se šalje u rezervoar bez razrjeđivanja odmah nakon taloženja. Prva metoda zahtijeva oko dva tjedna vremena, a druga mjesec dana. Prednost višestupanjskih sustava je njihova relativno niska cijena.
Koje su prednosti biološke obrade otpadnih voda?
Biološka obrada otpadnih voda jamči proizvodnju gotovo 100% čiste vode. Međutim, imajte na umu da se biostanica ne koristi kao neovisna metoda. Kristalno čistu vodu možete dobiti samo ako prethodno uklonite anorganske nečistoće drugim sredstvima, a zatim organske tvari uklonite biološkom metodom.
Aerobne i anaerobne bakterije - što su to?
Mikroorganizmi koji se koriste u procesu pročišćavanja otpadnih voda dijele se na aerobne i anaerobne. Aerobne postoje samo u okruženju koje sadrži kisik i potpuno razgrađuju organsku tvar na CO2 i H2O, dok istovremeno sintetiziraju vlastitu biomasu. Formula za ovaj proces je sljedeća:
CxHyOz + O2 -> CO2 + H2O + bakterijska biomasa,
gdje je CxHyOz organska tvar.
Anaerobni mikroorganizmi normalno se nose bez kisika, ali je njihov rast biomase mali. Bakterije ove vrste potrebne su za fermentaciju organskih spojeva bez kisika uz stvaranje metana. Formula:
CxHyOz -> CH4 + CO2 + bakterijska biomasa
Anaerobne tehnike su nezamjenjive kod visokih koncentracija organske tvari – koje prelaze maksimalno dopuštene za aerobne mikroorganizme. S niskim sadržajem organskih tvari, anaerobni mikroorganizmi su, naprotiv, neučinkoviti.
Svrha bioloških metoda pročišćavanja vode
Većina otpadnih onečišćujućih tvari su tvari organskog podrijetla. Glavni izvori ovih onečišćujućih tvari i potrošači pročišćenih otpadnih voda:
- Stambene i komunalne usluge, poduzeća prehrambene industrije i stočarski kompleksi.
- Poduzeća kemijske industrije, industrije prerade nafte, celuloze i papira te industrije kože.
Sastav otpadne vode u tim će slučajevima biti drugačiji. Jedno je sigurno - samo sveobuhvatnim čišćenjem uz obveznu primjenu bioloških metoda mogu se postići idealni rezultati.
Principi biološke obrade i popis potrebne opreme
Uzimajući u obzir trenutna načela biološkog tretmana, odabire se oprema za organizaciju postrojenja za biološki tretman. Glavne opcije:
- biološka jezerca;
- filterska polja;
- biofilteri;
- aeracijski spremnici;
- metatenks;
- bunari za filtriranje;
- filteri od pijeska i šljunka;
- cirkulacijski oksidacijski kanali;
- bioreaktorima.
Imajte na umu da se različite tehnike mogu koristiti za umjetno i prirodno pročišćavanje otpadnih voda.
Pročišćavanje otpadnih voda biološkim metodama: prednosti i nedostaci
Biološke metode su učinkovite za pročišćavanje otpadnih voda od organskih tvari, ali istinski visoki rezultati mogu se postići samo integriranom primjenom različitih metoda. Osim toga, mogućnosti bakterija nisu neograničene - mikroorganizmi uklanjaju manje organske nečistoće. Cijena postrojenja za biološki tretman je relativno niska.
Sve metode pročišćavanja otpadnih voda
Prije ulaska u sustav biološke obrade, otpadna voda mora proći mehaničko pročišćavanje, a nakon toga - dezinfekciju (kloriranje, ultrazvuk, elektroliza, ozonizacija, itd.) I dezinfekciju. Stoga se u sklopu cjelovitog pročišćavanja otpadnih voda koriste i kemijske, mehaničke, membranske i reagens metode.
Svaka otpadna voda sadrži komponente organskog i anorganskog podrijetla. Ako je anorganskih velikih i gustih inkluzija lako ukloniti mehaničkim metodama filtracije, tada se neće biti moguće riješiti složenih organskih komponenti prisutnih u vodi u obliku suspenzije. To će zahtijevati biokemijsku obradu otpadnih voda. Ova tehnika nije ništa manje učinkovita i nije tako skupa kao metode umjetnog čišćenja. Osim toga, ova metoda čišćenja ne zahtijeva složen proces recikliranja korištenih reagensa.
Biokemijska metoda čišćenja temelji se na korištenju posebnih bakterija, koje tijekom svoje životne aktivnosti razgrađuju složene organske spojeve na jednostavnije elemente - vodu, ugljični dioksid i mineralni talog.
Ove bakterije su stalno prisutne u tlu i vodi, gdje doprinose prirodnom pročišćavanju tla i vode. Ali budući da je njihova koncentracija niska, prirodni procesi čišćenja odvijaju se prilično sporo.
U postrojenjima za pročišćavanje otpadnih voda gdje se koristi biokemijska obrada, postoje ogromne kolonije bakterija koje su uključene u obradu otpadnih voda. Istodobno se u tim strukturama stvaraju povoljni uvjeti za život mikroorganizama, što omogućuje značajno ubrzanje procesa pročišćavanja vode u strukturi u usporedbi s prirodnim pročišćavanjem u prirodi.
Biokemijsko pročišćavanje u pravilu koristi jednu od dvije vrste bakterija ili njihovu kombinaciju:
- Aerobni mikroorganizmi prerađuju složene organske spojeve. Oksidacijom se razlažu na vodu, mineralni talog i ugljični dioksid. Glavna značajka ovih bakterija je da im je potreban kisik, pa su strukture koje ih koriste opremljene aeratorima i kompresorima.
- Anaerobni mikroorganizmi uvijek su prisutni u malim količinama u otpadnim vodama. Ove bakterije ne trebaju kisik. Međutim, oni trebaju ugljični dioksid i nitrate za obavljanje svojih životnih aktivnosti. Ovi organizmi tijekom života ispuštaju metan, pa je potrebno koristiti ventilacijski sustav u zgradi.
Biokemijske metode pročišćavanja
Danas se koriste sljedeće biokemijske metode pročišćavanja otpadnih voda:
- Biološka jezerca.
- Dizajni koji koriste aerobne metode čišćenja - aeracijski spremnici i biofilteri.
- Uređaji za obradu s anaerobnom razgradnjom (septičke jame, taložnice i digestori).
Biojezerca
To su umjetni rezervoari male dubine (0,5-1 m), u kojima se otpadna voda podvrgava procesima koji vrlo podsjećaju na prirodno samopročišćavanje. Ta su jezerca dobro zagrijana suncem, pa stvaraju povoljne uvjete za život bakterija.
Najveći sanitarni učinak ribnjaka postiže se u toploj sezoni. Tako su kolonije E. coli uništene za 99%, štetni mikroorganizmi crijevne skupine potpuno su uništeni, oksidacija okoliša smanjena je za 90 posto, a koncentracija amonijaka i organskog dušika smanjena je za 97%.
Važno: ova metoda čišćenja može se koristiti i zimi. Ribnjaci mogu funkcionirati ispod sloja leda. Samo je potrebno očistiti snijeg s njega kako bi sunčeva svjetlost doprla do bakterija.
Biološki bazeni dolaze u nekoliko vrsta:
- Protočni rezervoari, u kojem se otpadna voda razrjeđuje riječnom vodom. Nakon taložnika otpadna voda se miješa s vodom u omjeru 1 prema 3-5. Ovdje se tekućina pročišćava 14-21 dan. Ribnjak je pogodan za uzgoj ribe i pataka. Nedostatak je potreba izgradnje taložnika i potreba za riječnom vodom.
- Protočna jezerca u kojima se otpadna voda ne razrjeđuje riječnom vodom. Ova metoda pročišćavanja uključuje propuštanje otpadnih voda kroz kaskadu od 4-5 rezervoara. Prvi ribnjak treba imati barijeru za zadržavanje čvrstog sedimenta, dok je zadnji ribnjak pogodan za uzgoj ribe.
- Rezervoari za pročišćavanje otpadnih voda koristi se u postrojenjima za biološki tretman gdje nije moguće obraditi velike količine otpadnih voda ili gdje je potreban visok stupanj pročišćavanja. Obično se cijeli sustav sastoji od 2-3 ribnjaka, u kojima se također može uzgajati riba.
- Anaerobna jezerca dosežu nekoliko metara dubine. Ovdje se koriste anaerobne metode čišćenja. Glavni nedostaci takvih jezera su da se metan stalno ispušta u okoliš, a patogene bakterije mogu dospjeti u podzemne vode.
- Kontaktni rezervoari. Princip pročišćavanja ovdje se temelji na činjenici da se u stajaćoj vodi procesi biokemijske oksidacije odvijaju mnogo brže. Sustav se sastoji od niza paralelnih kartica. Voda se svakodnevno seli iz jedne vodene površine u drugu. Kompletan proces čišćenja je gotov za 5-10 dana.
Stanice za obradu aerobnom razgradnjom
Takve strukture uključuju biofiltere i spremnike za prozračivanje. Princip rada biofiltera temelji se na činjenici da kontaminirana voda prvo prolazi kroz fazu mehaničkog pročišćavanja. Nakon nekog vremena, punjenje (dio biofiltera) počinje se prljati biološkim filmom. Ovaj proces nastaje zbog adsorpcije mikroorganizama iz otpadnih voda. Tek nakon toga započinju procesi biokemijske oksidacije organske tvari.
Važno: glavni uvjet za učinkovito čišćenje je prisutnost dobre aeracije.
Biofilter je struktura ispunjena krupnozrnastim materijalom koji ne bubri (šljaka, šljunak, drobljeni kamen). Površina ovog materijala navodnjava se otpadom svakih 10-15 minuta. Tekućina koja je prošla kroz filter prolazi kroz drenažne otvore i teče u ladice. Prozračivanje biološkog filtera može biti umjetno ili prirodno. Metode umjetne aeracije mogu znatno ubrzati procese biološke oksidacije.
Aeracijski spremnik je uređaj za pročišćavanje koji koristi principe prirodne biološke obrade otpadnih voda. Međutim, intenzitet ovih procesa je puno veći. Prozračivanje otpadnih voda ovdje se provodi pumpanjem zraka pomoću perlatora i kompresora. Ovdje funkcije biološkog filma obavlja aktivni mulj - to su posebne pahuljice koje se sastoje od suspenzije mikroorganizama.
Principi čišćenja u takvom objektu su sljedeći:
- Otpadna voda, pomiješana s aktivnim muljem, ulazi u dugačak spremnik i kreće se kroz njega.
- Kako bi se mulj održao u suspenziji i ubrzali oksidativni procesi, u sustav se stalno upumpava zrak pod pritiskom.
- Po završetku procesa oksidacije, mješavina mulja i otpadne vode ulazi u sekundarni taložnik, gdje se aktivni mulj odvaja od pročišćene vode. Aktivni mulj se pomoću zračnog dizala pumpa natrag u spremnik za prozračivanje.
- Nakon dezinfekcije voda se može ispuštati u vodna tijela.
Važno: ova metoda čišćenja dovodi do stvaranja velike količine aktivnog mulja, pa ga je potrebno povremeno ukloniti. Dobiveni aktivni mulj može se koristiti za gnojidbu polja.
Aktivni mulj je biomasa koja se sastoji od bakterija, protozoa, nitrifikacijskih i denitrifikacijskih mikroorganizama te gljivica. U sastavu nema predstavnika skupine algi. Aktivni mulj savršeno adsorbira koliformne bakterije.
Stanice za obradu anaerobnom digestijom
Kanalizacijski mulj sastoji se od 95 posto vode, 5 posto ugljikohidrata, masti i bjelančevina. Biokemijske metode također se koriste za dezinfekciju mulja na uređajima za pročišćavanje otpadnih voda. Omogućuju promjenu strukture mulja, zbog čega on postaje brzo sušiva tvar koja se lako reciklira.
Procesi anaerobne fermentacije u prirodnim uvjetima odvijaju se uz oslobađanje metana, vode i ugljičnog dioksida. Postoje sljedeće vrste postrojenja za obradu koja koriste procese anaerobne razgradnje:
- Septičke jame su strukture koje kombiniraju procese fermentacije i stvaranja taloga. Ovi su dizajni prikladni za servisiranje malih objekata - seoskih kuća i dacha. Čišćenje septičke jame može se obaviti ručno, budući da su dimenzije strukture male. U pravilu se ovaj postupak provodi 1-2 puta godišnje. Probavljeni mulj iz septičkih jama ne može se koristiti kao gnojivo jer predstavlja opasnost za okoliš. Prije zbrinjavanja mulja potrebno ga je dezinficirati zagrijavanjem na 60 stupnjeva. Septičke jame mogu se sastojati od 1, 2 ili 3 komore. Ove izvedbe su prikladne za prethodnu obradu otpadnih voda, nakon čega je potrebna dodatna obrada u filtracijskim poljima, u filtracijskim bunarima ili jarcima.
- Digestori. Ovdje se mulj fermentira pomoću umjetnog grijanja. Ovdje dolazi otpadna voda nakon primarnog taložnika. Digester je zatvoreni spremnik u kojem se provodi anaerobna digestija mulja. U takvim se strukturama novi sediment stalno miješa sa zrelim sedimentom. Učinkovitost cijele strukture ovisi o količini zrelog sedimenta. Što ga je više, to bolje.
- Dvoslojni taložnici razlikuju se od septičkih jama po tome što su uklonjeni mnogi njihovi nedostaci. Dakle, plinovi koji se oslobađaju tijekom razgradnje mulja ne mogu ući u tekuće otpadne vode. U ovim izvedbama proces fermentacije može trajati od 1 do 6 mjeseci. Istodobno, iznad dvoslojnog taložnika nalazi se plinski odvodnik. Probavljeni mulj se dovodi na plantaže mulja na sušenje. Razgradnja organske tvari u sumpu mnogo je brža i učinkovitija nego u septičkoj jami. Takve se strukture ne koriste u srednjim geografskim širinama, budući da se probava mulja ne može provesti zimi.
→ Pročišćavanje otpadnih voda
Biokemijske osnove metoda biološke obrade otpadnih voda
Biološke metode pročišćavanja otpadnih voda temelje se na prirodnim procesima života heterotrofnih mikroorganizama. Poznato je da mikroorganizmi imaju niz posebnih svojstava, od kojih treba razlikovati tri glavna, koja se široko koriste u svrhe čišćenja:
1. Sposobnost konzumiranja širokog spektra organskih (i nekih anorganskih) spojeva kao izvora hrane za dobivanje energije i osiguranje njezinog funkcioniranja.
2. Drugo, ovo svojstvo je brzo razmnožavanje. U prosjeku se svakih 30 minuta broj bakterijskih stanica udvostruči. Prema riječima prof. N.P. Blinov, kada bi se mikroorganizmi mogli nesmetano razmnožavati, tada bi, uz dovoljnu ishranu i odgovarajuće uvjete, za 5-7 dana masa samo jedne vrste mikroorganizama ispunila bazene svih mora i oceana. To se, međutim, ne događa kako zbog ograničenih izvora hrane, tako i zbog postojeće prirodne ekološke ravnoteže.
3. Sposobnost stvaranja kolonija i nakupina, koje se mogu relativno lako odvojiti od pročišćene vode nakon završetka procesa uklanjanja kontaminanata sadržanih u njoj.
U živoj mikrobnoj stanici kontinuirano i istovremeno odvijaju se dva procesa - razgradnja molekula (katabolizam) i njihova sinteza (anabolizam), koji čine ukupni metabolički proces - metabolizam. Drugim riječima, procesi razgradnje organskih spojeva koje konzumiraju mikroorganizmi neraskidivo su povezani s procesima biosinteze novih mikrobnih stanica, različitih međuproizvoda ili finalnih proizvoda, za čiju se provedbu troši energija koju mikrobna stanica primi kao rezultat potrošnja hranjivih tvari. Izvor prehrane za heterotrofne mikroorganizme su ugljikohidrati, masti, bjelančevine, alkoholi itd., koje oni mogu razgraditi u aerobnim ili anaerobnim uvjetima. Značajan dio produkata mikrobne transformacije stanica može otpustiti u okoliš ili se u njemu akumulirati. Neki intermedijarni proizvodi služe kao nutritivna rezerva koju stanica koristi nakon što se potroši glavna prehrana.
Cijeli ciklus odnosa između stanice i okoline u procesu uklanjanja iz nje i transformacije hranjivih tvari određuju i reguliraju odgovarajući enzimi. Enzimi su lokalizirani u citoplazmi iu različitim substrukturama ugrađenim u staničnu membranu, otpušteni na površinu stanice ili u okoliš. Ukupan sadržaj enzima u stanici doseže 40-60% ukupnog sadržaja proteina u njoj, a sadržaj svakog enzima može se kretati od 0,1 do 5% sadržaja proteina. Štoviše, stanice mogu sadržavati preko 1000 vrsta enzima, a svaku biokemijsku reakciju koju stanica provodi može katalizirati 50-100 molekula odgovarajućeg enzima. Neki enzimi su složeni proteini (proteidi), koji osim proteinskog dijela (apoenzima) sadrže i neproteinski dio (koenzim). U mnogim slučajevima koenzimi su vitamini, ponekad kompleksi koji sadrže metalne ione.
Enzimi se dijele u šest klasa prema prirodi reakcija koje kataliziraju: oksidativne i redukcijske procese; prijenos raznih kemijskih skupina s jednog supstrata na drugi; hidrolitičko cijepanje kemijskih veza supstrata; cijepanje ili dodavanje kemijske skupine iz supstrata; promjena unutar podloge; povezivanje molekula supstrata pomoću visokoenergetskih spojeva.
Budući da mikrobna stanica troši samo organske tvari otopljene u vodi, prodiranje tvari netopivih u vodi, poput škroba, bjelančevina, celuloze itd. u stanicu moguće je tek nakon njihove odgovarajuće pripreme, za što stanica oslobađa potrebne enzime u stanicu. okolna tekućina njihovo hidrolitičko cijepanje na jednostavnije podjedinice.
Koenzimi određuju prirodu katalizirane reakcije i dijele se u tri skupine prema funkcijama koje obavljaju:
1. Prijenos vodikovih iona ili elektrona. Povezan s redoks enzimima - oksidoreduktazama.
2. Sudjeluje u prijenosu skupina atoma (ATP - adenozin trifosfatna kiselina, ugljikohidratni fosfati, CoA - koenzim A itd.)
3. Kataliziranje reakcija sinteze, razgradnje i izomerizacije ugljikovih veza.
Mehanizam uklanjanja iz otopine i naknadne disimilacije supstrata je vrlo složen i višefazan po prirodi, međusobno povezane i sekvencijalne biokemijske reakcije određene tipom prehrane i disanja bakterija. Dovoljno je reći da mnogi aspekti ovog mehanizma još uvijek nisu posve jasni, unatoč njegovoj praktičnoj primjeni, kako u području biotehnologije, tako iu području biokemijskog pročišćavanja vode od organskih nečistoća u širokom rasponu tehnoloških shema dizajna.
Najraniji model procesa biokemijskog uklanjanja i oksidacije kontaminanata temeljio se na tri glavna principa: sorpcijsko uklanjanje i nakupljanje uklonjene tvari na površini stanice; difuzijsko kretanje kroz staničnu membranu ili same tvari, ili proizvoda njezine hidrolize, ili hidrofobnog kompleksa koji tvori hidrofilna penetrirajuća tvar i posredni protein; metabolička transformacija hranjivih tvari koje ulaze u stanicu, osiguravajući difuzijski prodor tvari u stanicu.
U skladu s tim modelom, smatralo se da proces uklanjanja hranjivih tvari iz vode počinje njihovom sorpcijom i nakupljanjem na površini stanice, što zahtijeva stalno miješanje biomase sa supstratom, čime se stvaraju povoljni uvjeti za „sudar“ stanica s molekule supstrata.
Mehanizam prijenosa tvari s površine stanice u nju - ovaj model objašnjava se ili vezanjem tvari koja prodire na specifični protein nosač, koji je sastavni dio stanične membrane, koji nakon unošenja tvari u stanica, oslobađa se i vraća na njezinu površinu kako bi se dovršilo novo “hvatanje” tvari i novi ciklus prijenosa ili izravnim otapanjem te tvari u tvari stijenke i citoplazmatske membrane, zbog čega ona difundira u stanicu. . Proces stabilne potrošnje tvari započeo je tek nakon određenog "razdoblja ravnoteže" tvari između otopine i stanica, što se objašnjava pojavom hidrolize i difuzijskim kretanjem tvari kroz staničnu membranu do citoplazmatske membrane. , gdje su koncentrirani razni enzimi. S početkom metaboličkih transformacija, sorpcijska ravnoteža je poremećena, a koncentracijski gradijent osigurava kontinuitet daljnje opskrbe supstrata u stanicu.
U trećoj fazi odvijaju se sve metaboličke transformacije supstrata, dijelom u krajnje proizvode kao što su ugljikov dioksid, voda, sulfati, nitrati (proces oksidacije organskih tvari), dijelom u nove mikrobne stanice (proces sinteze biomase), ako se proces pretvorbe organskih spojeva odvija u aerobnim uvjetima. Ako se biokemijska oksidacija odvija u anaerobnim uvjetima, tada u njenom procesu mogu nastati razni međuproizvodi (eventualno namjenski), CH4, NH3, H2S itd., te nove stanice.
Ovaj model, međutim, nije mogao objasniti neke od kinetičkih značajki transportnih procesa prijenosa supstrata i, posebno, nakupljanje supstrata u stanici protiv koncentracijskog gradijenta, što je najčešći rezultat tih procesa i naziva se “ aktivni” transport, za razliku od difuznog transporta. Značajka aktivnih transportnih procesa je njihova stereospecifičnost, kada se tvari slične kemijske strukture natječu za zajednički nosač, a ne jednostavno difundiraju u stanicu pod utjecajem koncentracijskog gradijenta.
U svjetlu suvremenih pogleda, model kretanja supstrata kroz staničnu membranu pretpostavlja postojanje hidrofilnog "kanala" u njemu, kroz koji hidrofilni supstrati mogu prodrijeti u stanicu. Međutim, za razliku od gore opisanog modela, ovdje dolazi do stereospecifičnog kretanja, vjerojatno ostvarenog "štafetnim" prijenosom molekula supstrata iz jedne funkcionalne skupine u drugu. U tom slučaju supstrat poput ključa otvara kanal prikladan za svoj prodor (model transmembranskog kanala).
Drugi alternativni model može se promatrati kao kombinacija prva dva, koristeći njihova pozitivna svojstva. Pretpostavlja prisutnost hidrofobnog membranskog transportera, koji je kroz sukcesivne konformacijske promjene uzrokovane supstratom provodi s vanjske na unutarnju stranu membrane (model konformacijske translokacije), gdje se hidrofobni kompleks raspada. U ovakvom tumačenju mehanizma transporta supstrata kroz staničnu membranu još uvijek se koristi termin “nosač”, iako se sve više zamjenjuje terminom “permeaza”, koji uzima u obzir genetsku osnovu njegovog kodiranja kao komponente membrane. stanice u svrhu prijenosa tvari u stanicu.
Utvrđeno je da membranski transportni sustavi često uključuju više od jednog proteinskog medijatora i da među njima može postojati podjela funkcija. “Vezujući” proteini identificiraju supstrat u mediju, opskrbljuju ga i koncentriraju na vanjskoj površini membrane i prenose do “pravog” transportera, tj. komponenta koja prenosi supstrat preko membrane. Tako su izolirani proteini uključeni u "prepoznavanje", vezanje i transport niza šećera, karboksilnih kiselina, aminokiselina i anorganskih iona u stanice bakterija, gljivica i životinja.
Transformacija procesa prijenosa tvari u stanicu u jednosmjerni proces "aktivnog" transporta, što dovodi do povećanja sadržaja hranjivih tvari u stanici u odnosu na njihov koncentracijski gradijent u okolišu, zahtijeva određene troškove energije od stanice. Stoga su procesi prijenosa supstrata iz okoline u stanicu povezani s procesima metaboličkog oslobađanja energije sadržane u supstratu koji se odvijaju unutar stanice. Energija u procesu prijenosa supstrata troši se na kemijsku modifikaciju ili supstrata ili samog nosača kako bi se eliminirala ili otežala kako interakcija supstrata s nosačem tako i povratak supstrata difuzijom kroz membranu natrag u otopinu. .
Suvremeni pogledi na procese biokemijskog uklanjanja i oksidacije organskih spojeva temelje se na dvije glavne odredbe teorije enzimske kinetike. Prvo stajalište pretpostavlja da enzim i supstrat međusobno djeluju, tvoreći kompleks enzim-supstrat, koji, kao rezultat jedne ili više transformacija, dovodi do pojave produkata koji smanjuju prepreku aktivaciji reakcije katalizirane enzima zbog njegove fragmentacije u nekoliko međufaza, od kojih svaka ne nailazi na energetske prepreke u svojoj provedbi. Drugo stajalište kaže da, bez obzira na prirodu spojeva i broj stupnjeva tijekom enzimske reakcije katalizirane enzimom, na kraju procesa enzim izlazi nepromijenjen i može stupiti u interakciju sa sljedećom molekulom supstrata. . Drugim riječima, već u fazi povlačenja supstrata, stanica stupa u interakciju sa supstratom stvarajući relativno slabu vezu koja se naziva "kompleks enzim-supstrat".
Navedeno je dobro ilustrirano primjerom ekstrakcije glukoze iz otopine različitim mikroorganizmima koji sadrže enzim glukoza-oksidazu u okruženju s molekularnim kisikom. Glukoza oksidaza tvori kompleks enzim-supstrat - glukoza - kisik - glukoza oksidaza, nakon čije razgradnje nastaju međuprodukti - glukonolakton i vodikov peroksid, kako je shematski prikazano na sl. 11.1.
Glukonolakton koji nastaje kao rezultat razgradnje ovog kompleksa prolazi kroz hidrolizu u glukonsku kiselinu.
Jedno od najvažnijih svojstava enzima je njihova sposobnost da se sintetiziraju u prisutnosti i pod utjecajem određene tvari. Drugo jednako važno svojstvo je specifičnost djelovanja enzima kako u odnosu na reakciju koju katalizira tako i u odnosu na sam supstrat.
Ponekad enzim može djelovati na jedan jedini supstrat (apsolutna specifičnost), ali puno češće enzim djeluje na skupinu supstrata koji su slični po prisutnosti određenih atomskih skupina supstrata.
Riža. 11.1. Shema "prepoznavanja" supstrata od strane enzima, stvaranje kompleksa enzim-supstrat i kataliza
Mnoge enzime karakterizira stereokemijska specifičnost, koja se sastoji u tome da enzim djeluje na skupinu supstrata (a ponekad i na jedan) koji se od drugih razlikuju posebnim rasporedom atoma u prostoru. Uloga svakog enzima u procesu biokemijske oksidacije organskih tvari je strogo definirana: on katalizira ili oksidaciju (tj. dodavanje kisika ili eliminaciju vodika) ili redukciju (tj. dodavanje vodika ili eliminaciju kisik) dobro definiranih kemijskih spojeva. Tijekom dehidrogenacije, određeni enzim može ukloniti samo određene atome vodika koji zauzimaju određeni prostorni položaj u molekuli supstrata ili međuproizvoda. Isto vrijedi i za enzime koji kataliziraju druge metaboličke procese.
Procesi biokemijske oksidacije u heterotrofnim mikroorganizmima dijele se u tri skupine ovisno o tome koji je krajnji akceptor vodikovih atoma ili elektrona uklonjenih s oksidiranog supstrata. Ako je akceptor kisik, tada se taj proces naziva stanično disanje ili jednostavno disanje; ako je akceptor vodika organska tvar, tada se proces oksidacije naziva fermentacija; konačno, ako je akceptor vodika anorganska tvar kao što su nitrati, sulfati itd., tada se proces naziva anaerobno disanje ili jednostavno anaerobno.
Najpotpuniji proces je aerobna oksidacija, jer njegovi proizvodi su tvari koje nisu sposobne za daljnju razgradnju u mikrobnoj stanici i ne sadrže rezervu energije koja bi se mogla osloboditi uobičajenim kemijskim reakcijama. Glavne od tih tvari, kao što je već navedeno, su ugljikov dioksid (CO2) i voda (H20). Iako obje ove tvari sadrže kisik, kemijski put njihovog stvaranja u stanici može biti različit, budući da ugljični dioksid može nastati kao rezultat biokemijskih procesa koji se odvijaju u okruženju bez kisika pod utjecajem enzima - dekarboksilaza, koji uklanjaju CO2 iz karboksilne skupine (COOH) kiseline. Voda, kao rezultat vitalne aktivnosti stanice, nastaje isključivo spajanjem kisika u zraku s vodikom onih organskih tvari, od kojih se odvaja u procesu njihove oksidacije.
Aerobna disimilacija supstrata - ugljikohidrata, proteina, masti - proces je u više faza, uključujući početnu razgradnju složene tvari koja sadrži ugljik u jednostavnije podjedinice (na primjer, polisaharide - u jednostavne šećere; masti - u masne kiseline i glicerol ; proteini - u aminokiseline), koji se zauzvrat podvrgavaju daljnjoj dosljednoj transformaciji. U ovom slučaju, pristupačnost supstrata oksidaciji značajno ovisi o strukturi ugljikovog kostura molekula (ravna, razgranata, ciklička) i stupnju oksidacije ugljikovih atoma. Šećeri, osobito heksoze, smatraju se najdostupnijima, zatim polihidrični alkoholi (glicerol, manitol, itd.) i karboksilne kiseline. Opći konačni put kojim se dovršava aerobni metabolizam ugljikohidrata, masnih kiselina i aminokiselina je ciklus trikarboksilnih kiselina (TCA ciklus) ili Krebsov ciklus, u koji te tvari ulaze u jednoj ili drugoj fazi. Primijećeno je da se u uvjetima aerobnog metabolizma oko 90% utrošenog kisika koristi u respiratornom traktu za proizvodnju energije od strane mikrobnih stanica.
Fermentacija je proces nepotpune razgradnje organskih tvari, uglavnom ugljikohidrata, u uvjetima bez kisika, što rezultira stvaranjem različitih međuproizvoda djelomično oksidiranih, kao što su alkohol, glicerin, mravlja, mliječna, propionska kiselina, butanol, aceton, metan, itd., koji se široko koristi u biotehnologiji za dobivanje ciljnih proizvoda. Do 97% organskog supstrata može se pretvoriti u takve nusproizvode i metan.
Enzimska anaerobna razgradnja proteina i aminokiselina naziva se truljenje.
Zbog niskog izlaza energije tijekom fermentativnog tipa metabolizma, mikrobne stanice koje ga provode moraju konzumirati veću količinu supstrata (na manjoj dubini njegove razgradnje) od stanica koje energiju dobivaju disanjem, što objašnjava učinkovitiji rast stanica u aerobnim uvjetima u usporedbi s anaerobnim uvjetima.
Najviše energije za svoj rad stanica dobiva oksidacijom vodika kisikom koji se od oksidiranog supstrata odcjepljuje pod djelovanjem enzima dehidrogenaze, koji se prema kemijskom djelovanju dijele na nikotinamid (NAD ) i flavin (FAD). Nikotinamid dehidrogenaze prve reagiraju sa supstratom, oduzimaju mu dva atoma vodika i dodaju ih koenzimu. Kao rezultat ove reakcije, supstrat se oksidira i NAD se reducira u NAD'H2. Zatim reagira FAD, prenoseći vodik iz nikotinamid koenzima u flavin koenzim, uslijed čega se NAD'H2 ponovno oksidira u NAD, a flavin koenzim reducira u FADH2. Nadalje, preko iznimno važne skupine redoks enzima – citokroma – vodik se prenosi na molekularni kisik, čime se završava proces oksidacije uz nastanak konačnog produkta – vode.
U ovoj reakciji oslobađa se najveći dio energije sadržane u supstratu. Cijeli proces aerobne oksidacije može se prikazati dijagramom na sl. 11.2.
Energiju koja se oslobađa tijekom mikrobne oksidacije tvari stanica akumulira uz pomoć visokoenergetskih spojeva. Univerzalno skladište energije u živim stanicama je adenozin trifosforna kiselina – ATP (iako postoje i druge makroenergije).
Ova reakcija fosforilacije, kao što se vidi iz (11.9), zahtijeva energiju, čiji je izvor u ovom slučaju oksidacija. Stoga je fosforilacija ADP-a usko povezana s oksidacijom, a taj se proces naziva oksidativna fosforilacija. U procesu oksidativne fosforilacije, tijekom oksidacije npr. jedne molekule glukoze, nastaje 38 molekula ATP-a, dok u fazi glikolize samo 2. Treba napomenuti da faza glikolize teče potpuno jednako i u aerobnim i u anaerobnim uvjetima, tj. prije stvaranja pirogrožđane kiseline (PVA), a na njegov nastanak troše se 2 od 4 nastale molekule ATP-a.
Putevi daljnje transformacije PVC-a u aerobnim i anaerobnim uvjetima se razlikuju.
Aerobna transformacija glukoze može se prikazati sljedećom shemom:
1. Glikoliza: SbH12Ob + 2FA-+2PVK + 2NADH2 + 4ATP (11.10)
2. Transformacija pirogrožđane kiseline (PVA): 2PVA-*2C02 + 2 Acetyl CoA + 2NADH2
3. Ciklus trikarboksilnih kiselina (Krebsov ciklus): Acetil CoA -> 4C02 + 6NADH2 + 2FADH2 + 2ATP (11.12) ECbH12Ob -> 6C02 + 10NADH2 + 2FADH2 + 4ATP (11.13) gdje je FAD flavoprotein.
Oksidacija NADH2 u sustavu transporta elektrona proizvodi ZATP at
1 mol; oksidacijom 2FADH2 nastaje 4ATP,
zatim: SbN1206 + 602 -> 6C02 + 6H20 + 38ATP
U uvjetima anaerobne transformacije ugljikohidrata, prvi korak je fosforilacija glukoze, koja se provodi uz pomoć ATP-a pod utjecajem enzima heksokinaze, tj.
Glukoza + A TF-heksokinaza > glukoza _ b – fosfat + ADP
Nakon završetka faze glikolize i stvaranja PVC-a, tijek daljnje transformacije PVC-a ovisi o vrsti fermentacije i njezinom uzročniku. Glavne vrste vrenja: alkoholna, mliječna kiselina, propionska kiselina, maslačna kiselina, metan.
Oksidativna fosforilacija se također može dogoditi pod utjecajem enzima koji sintetizira ATP na razini supstrata. Međutim, ovo stvaranje visokoenergetskih veza vrlo je ograničeno, a u prisutnosti kisika stanice sintetiziraju većinu ATP-a koji sadrže putem sustava prijenosa elektrona.
Akumulacija tvari koja se oslobađa tijekom procesa disimilacije u aerobnim ili anaerobnim uvjetima uz pomoć visokoenergetskih spojeva (i prvenstveno ATP-a) omogućuje uklanjanje nesklada između jednolikosti procesa oslobađanja kemijske energije iz supstrata i neravnomjernost procesa njegove potrošnje, neizbježna u stvarnim uvjetima postojanja stanice.
Pojednostavljeno, cjelokupni proces razgradnje organskih tvari tijekom aerobnih transformacija može se prikazati dijagramom prikazanim na sl. 11.3. Dijagram anaerobnih transformacija PVC-a nakon stadija glikolize prikazan je na slici. 11.4.
Istraživanja su pokazala da često vrsta metabolizma ne ovisi toliko o prisutnosti kisika u okolišu, koliko o koncentraciji supstrata.
To ukazuje da se, ovisno o specifičnim uvjetima rada biomase u okolišu, mogu istovremeno odvijati i aerobni i anaerobni procesi pretvorbe organskih spojeva, čiji će intenzitet također ovisiti o koncentraciji supstrata i kisika.
Ovdje treba napomenuti da se u industrijskoj biotehnologiji čistim kulturama dobivaju različiti produkti mikrobnog podrijetla (krmni ili pekarski kvasac, razne organske kiseline, alkoholi, vitamini, lijekovi), tj. često se odabiru mikroorganizmi jedne vrste, uz strogo održavanje sastava vrsta, odgovarajućih prehrambenih uvjeta, temperature, aktivne reakcije okoline i sl., isključujući pojavu i razvoj drugih vrsta mikroorganizama, što bi moglo dovesti do odstupanja u kvaliteta dobivenog proizvoda prema utvrđenim standardima.
Kod pročišćavanja otpadnih voda koje sadrže mješavinu kontaminanata različitog kemijskog sastava, koje je ponekad čak vrlo teško identificirati analitičkim metodama, biomasa koja vrši pročišćavanje također je mješavina, odnosno zajednica različitih vrsta mikroorganizama i protozoa s složene odnose među njima. Vrsni i kvantitativni sastav biomase iz uređaja za pročišćavanje otpadnih voda ovisit će o konkretnom načinu biološkog pročišćavanja i uvjetima njegove provedbe.
Prema izračunima nekih stručnjaka, kada je koncentracija otopljenih organskih onečišćujućih tvari, ocijenjena indeksom BPKP0Ln, do 1000 mg/l, korištenje aerobnih metoda čišćenja je najpovoljnije. Pri koncentracijama BPKPOLn od 1000 do 5000 mg/l, ekonomski pokazatelji aerobne i anaerobne metode bit će gotovo isti. Kod koncentracija iznad 5000 mg/l prikladnije bi bilo koristiti anaerobne metode. No, potrebno je uzeti u obzir ne samo koncentraciju onečišćujućih tvari, već i potrošnju otpadnih voda, kao i činjenicu da anaerobne metode dovode do stvaranja krajnjih proizvoda kao što su metan, amonijak, sumporovodik i dr. te ne dopuštaju dobivanje kvalitete pročišćene vode , usporedive s kvalitetom čišćenja korištenjem aerobnih metoda. Stoga se pri visokim koncentracijama kontaminanata koristi kombinacija anaerobnih metoda u prvom stupnju (ili prvim stupnjevima) pročišćavanja i aerobnih metoda u zadnjem stupnju pročišćavanja. Treba naglasiti da kućne i komunalne otpadne vode, za razliku od industrijskih otpadnih voda, ne sadrže koncentracije onečišćujućih tvari koje bi opravdavale primjenu anaerobnih metoda, pa se te metode pročišćavanja ne obrađuju u ovom poglavlju.
Riža. 11.3. Pojednostavljeni dijagram trostupanjske razgradnje molekula hranjivih tvari (B. Alberte et al. 1986.)
Riža. 11.4. Pretvorba pirogrožđane kiseline anaerobnim mikroorganizmima u razne produkte