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1. Métodos bioquímicos de tratamento de águas residuais. A essência do método.
2. Padrões de decomposição de substâncias orgânicas	5
3. A influência de vários fatores no processo de purificação bioquímica
4. Classificação dos métodos bioquímicos	8
4.1. Métodos de limpeza aeróbica	9
4.2. Métodos de tratamento anaeróbico	15
Bibliografia	17

1. Métodos bioquímicos de tratamento de águas residuais. A essência do método.

A oxidação biológica é um método amplamente utilizado de tratamento de águas residuais, que permite remover muitas substâncias orgânicas e algumas inorgânicas (sulfeto de hidrogênio, sulfetos, amônia, nitritos, etc.). O tratamento bioquímico de águas residuais baseia-se na capacidade dos microrganismos de utilizar poluentes orgânicos dissolvidos e coloidais como fonte de nutrição em seus processos vitais. Muitos tipos de poluentes orgânicos provenientes de águas residuais municipais e industriais são processados ​​biologicamente, submetendo-os à destruição parcial ou total. Em contato com substâncias orgânicas, os microrganismos as destroem parcialmente, transformando-as em água, dióxido de carbono, íons nitrito e sulfato, etc. A outra parte da substância vai para a formação de biomassa. Algumas substâncias orgânicas são capazes de oxidar facilmente, enquanto outras não oxidam de todo ou muito lentamente.

A ampla utilização do método bioquímico se deve às suas vantagens: capacidade de remover das águas residuais diversos compostos orgânicos e alguns compostos inorgânicos encontrados na água em estado dissolvido, coloidal e não dissolvido, inclusive tóxicos; simplicidade do design do hardware, custos operacionais relativamente baixos e profundidade de limpeza. As desvantagens incluem elevados custos de capital, a necessidade de cumprimento estrito do regime de limpeza, o efeito tóxico sobre os microrganismos de uma série de compostos orgânicos e inorgânicos e a necessidade de diluir as águas residuais em caso de elevadas concentrações de impurezas.

Para determinar a possibilidade de abastecimento de águas residuais industriais às estações de tratamento bioquímico, são estabelecidas concentrações máximas de substâncias tóxicas que não afetam os processos de oxidação bioquímica (MK b) e o funcionamento das estações de tratamento (MK bos). Na ausência desses dados, a possibilidade de oxidação bioquímica é estabelecida pelo indicador bioquímico DBO p/DQO. Para as águas residuais domésticas este rácio é de aproximadamente 0,86, e para as águas residuais industriais varia dentro de uma gama muito ampla: de 0 a 0,9. As águas residuais com uma baixa relação DBO p/DQO normalmente contêm contaminantes tóxicos, cuja pré-extração pode aumentar esta relação, ou seja, fornecer a possibilidade de oxidação bioquímica. Portanto, as águas residuais não devem conter substâncias tóxicas e impurezas de sais de metais pesados. A purificação bioquímica é considerada completa se o DBO n da água purificada for inferior a 20 mg/l e incompleta se o DBO n > 20 mg/l. Esta definição é condicional, pois mesmo com a purificação bioquímica completa, ocorre apenas a liberação parcial da água da quantidade de impurezas nela contidas.

A oxidação biológica é realizada por uma comunidade de microrganismos (biocenose), incluindo diversas bactérias, protozoários, bem como algas, fungos, etc., interligados em um único complexo por relações complexas (metabiose, simbiose e antagonismo). O papel dominante nesta comunidade pertence às bactérias, cujo número varia de 10 6 a 10 14 células por 1 g de biomassa seca. No processo de oxidação bioquímica em condições aeróbicas, a comunidade de microrganismos é chamada de lodo ativado ou biofilme. O lodo ativado consiste em microrganismos vivos e um substrato sólido e na aparência se assemelha a flocos coagulantes com uma cor que varia do marrom esbranquiçado ao marrom escuro. Os acúmulos de bactérias no lodo ativado são circundados por uma camada mucosa (cápsulas) e são chamados de zooglea. Ajudam a melhorar a estrutura do lodo, sua sedimentação e compactação.

O lodo ativado é um colóide anfotérico que possui carga negativa na faixa de pH de 4-9 e possui alta capacidade de adsorção devido à superfície total desenvolvida das células bacterianas. A capacidade de adsorção do lodo ativado diminui com o tempo devido à saturação das águas residuais com contaminantes. O processo de recuperação ocorre devido à atividade vital dos microrganismos que povoam o lodo ativado e é denominado regeneração. Apesar das diferenças significativas nas águas residuais tratadas, a composição química elementar do lodo ativado é bastante próxima, embora não idêntica. Essa semelhança é o resultado da semelhança de sua base - as células bacterianas. A composição das células inclui H, N, S, C, O, P, cinzas, proteínas, bem como vários oligoelementos - B, V, Fe, Co, Mn, Mo, Cu, etc. e O formam um grupo de substâncias organogênicas, esses elementos entram nas células bacterianas na forma de água, proteínas, gorduras e carboidratos; 80-85% do peso dos micróbios é água.

A matéria seca do lodo ativado é um complexo de substâncias minerais (10-30%) e orgânicas (70-90%). A maior parte dos compostos orgânicos são proteínas. A composição das partes cinzas das células inclui microelementos - Ca, K, Mg, S, Mn, Cu, Na, Fe, Zn, etc. Além disso, para construir uma célula bacteriana, são necessários elementos biogênicos - fósforo, nitrogênio, potássio. A qualidade do lodo é determinada pela taxa de sedimentação e pelo grau de purificação da água. O estado do lodo é caracterizado pelo índice de lodo, que é a relação entre o volume da parte sedimentada do lodo ativado e a massa do lodo seco (em gramas) após sedimentação por 30 minutos. Quanto maior o índice de lodo, pior será a sedimentação do lodo.

2. Padrões de decomposição de substâncias orgânicas

O mecanismo de remoção de substâncias das águas residuais e seu consumo pelos microrganismos é muito complexo. Em geral, este processo pode ser dividido em três etapas:

1) transferência de massa de matéria do líquido para a superfície celular devido à difusão molecular e convectiva;

2) difusão de uma substância através da membrana semipermeável da superfície celular, resultante da diferença nas concentrações da substância dentro e fora da célula;

3) o processo de transformação de substâncias (metabolismo) que ocorre no interior da célula, com liberação de energia e síntese de nova substância celular.

A taxa do primeiro estágio é determinada pelas leis de difusão e condições hidrodinâmicas na instalação de tratamento bioquímico. A turbulência do fluxo causa a desintegração dos flocos de lodo ativado em pequenas colônias de micróbios e leva à rápida renovação da interface entre os microrganismos e o meio ambiente.

O processo de transferência de uma substância através de membranas celulares semipermeáveis ​​​​pode ser realizado de duas maneiras: dissolvendo uma substância difusora no material da membrana, por meio da qual ela passa para dentro da célula, ou fixando uma substância penetrante a um transportador específico proteína, dissolvendo o complexo resultante e difundindo-se na célula, onde o complexo se desintegra e a proteína - o transportador é liberada para completar um novo ciclo.

O principal papel no tratamento de águas residuais é desempenhado pelos processos de transformação de substâncias no interior das células dos microrganismos, resultando na oxidação da substância com liberação de energia (transformações catabólicas) e na síntese de novas substâncias proteicas, o que ocorre com o gasto de energia (transformações anabólicas).

A taxa de transformações químicas e sua sequência são determinadas por enzimas que atuam como catalisadores e são compostos proteicos complexos com peso molecular de até centenas de milhares e milhões. A sua atividade depende da temperatura, do pH e da presença de diversas substâncias nas águas residuais.

As reações totais de oxidação bioquímica em condições aeróbias podem ser apresentadas da seguinte forma:

Oxidação de matéria orgânica

C x H e O z (x + 0,25y - 0,5z)O 2 ? xС0 2 + 0,5уН 2 O + ?Н;

Síntese de células bacterianas

C x H e 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;

Oxidação de material celular

N(C 5 H 7 N0 2) + 5n0 2 ? 5nC0 2 + 2nH 2 0 + nNH 3 + ?Н.

As transformações químicas são a fonte de energia necessária para os microrganismos. Os organismos vivos só podem usar energia química ligada. O transportador universal de energia na célula é o ácido adenosina trifosfórico (ATP).

Os microrganismos são capazes de oxidar muitas substâncias orgânicas, mas isso requer diferentes tempos de adaptação. Muitos álcoois, glicóis, ácido benzóico, acetona, glicerina, ésteres, etc. são facilmente oxidados, alguns surfactantes e compostos orgânicos clorados são pouco oxidados.

O processo de oxidação aeróbica consome oxigênio dissolvido nas águas residuais. Para saturar as águas residuais com oxigênio, é realizado um processo de aeração, quebrando o fluxo de ar em bolhas, que, se possível, são distribuídas uniformemente nas águas residuais. A partir das bolhas de ar, o oxigênio é absorvido pela água e depois transferido para os microrganismos. Esse processo ocorre em duas etapas. O primeiro envolve a transferência de oxigênio das bolhas de ar para a maior parte do líquido, o segundo envolve a transferência do oxigênio absorvido da maior parte do líquido para as células dos microrganismos, principalmente sob a influência de pulsações turbulentas.

A maneira mais confiável de aumentar o fornecimento de oxigênio às águas residuais é aumentar a intensidade da fragmentação do fluxo de gás, ou seja, reduzindo o tamanho das bolhas de gás. A taxa de consumo de oxigênio depende de muitos fatores inter-relacionados: a quantidade de biomassa, a taxa de crescimento e atividade fisiológica dos microrganismos, o tipo e concentração de nutrientes, o acúmulo de produtos metabólicos tóxicos, a quantidade e natureza dos nutrientes e o teor de oxigênio. na água.
3. A influência de vários fatores no processo de purificação bioquímica

A eficácia do tratamento biológico depende de uma série de factores, alguns dos quais são passíveis de alteração e regulação dentro de amplos intervalos, enquanto a regulação de outros, como, por exemplo, a composição das águas residuais que entram no tratamento, é praticamente impossível. Os principais fatores que determinam o rendimento do sistema e o grau de tratamento das águas residuais incluem: a presença de oxigênio na água, a uniformidade do fluxo das águas residuais e a concentração de impurezas nele, a temperatura, o pH do ambiente, a mistura, a presença de impurezas e nutrientes tóxicos, concentração de biomassa, etc.

As condições de limpeza mais favoráveis ​​são as seguintes. A concentração de substâncias bioquimicamente oxidáveis ​​​​nas águas residuais tratadas não deve exceder o valor permitido MK b ou MK bos, que geralmente é estabelecido experimentalmente. Concentrações mais altas de águas residuais devem ser diluídas. Os limites máximos de concentração para substâncias que entram em instalações de tratamento biológico são indicados na literatura de referência.

O abastecimento de oxigénio atmosférico às instalações de tratamento bioquímico deve ser contínuo e em quantidade tal que as águas residuais tratadas que saem do tanque de decantação secundária contenham pelo menos 2 mg/l. A taxa de dissolução do oxigênio na água não deve ser inferior à taxa de seu consumo pelos microrganismos. Durante o período inicial de oxidação, a taxa de consumo de oxigênio pode ser dezenas de vezes maior do que no final do processo, depende da natureza da poluição da água e é proporcional à quantidade de biomassa;

A temperatura ideal para processos aeróbios que ocorrem em estações de tratamento de águas residuais é considerada entre 20-30 °C, embora a temperatura ideal para bactérias de vários grupos varie amplamente, de -8 °C a +85 °C. Um aumento na temperatura além da norma fisiológica dos microrganismos leva à sua morte, e uma diminuição apenas reduz a atividade dos microrganismos. À medida que a temperatura aumenta, a solubilidade do oxigênio na água diminui, portanto na estação quente é necessário realizar uma aeração mais intensa, e no inverno é necessário manter uma maior concentração de microrganismos no lodo circulante e aumentar a duração de aeração.

A reação ambiental ideal para uma parte significativa das bactérias é neutra ou próxima dela, embora existam espécies que se desenvolvem bem em ambiente ácido (fungos, leveduras) ou levemente alcalino (actinomicetos).

Para o processo normal de síntese da matéria celular e, portanto, para um processo eficaz de tratamento de águas residuais, deve haver uma concentração suficiente de todos os nutrientes - carbono orgânico (DBO), nitrogênio, fósforo.

Além dos elementos básicos da célula (C, O, N, H), outros componentes - microelementos (Mn, Cu, Zn, Mo, Mg, Co, etc.) são necessários para sua construção em pequenas quantidades. O conteúdo desses elementos nas águas naturais a partir das quais as águas residuais são formadas é geralmente suficiente para a oxidação bioquímica. A falta de nitrogênio inibe a oxidação de poluentes orgânicos e leva à formação de lamas de difícil sedimentação. A falta de fósforo inicia o desenvolvimento de bactérias filamentosas, que é a principal razão para o inchaço do lodo ativado, má sedimentação e remoção das estações de tratamento, crescimento mais lento do lodo e diminuição da intensidade da oxidação. Os elementos biogênicos são melhor absorvidos na forma de compostos nos quais são encontrados nas células microbianas: nitrogênio - na forma de NH 4 e fósforo - na forma de sais em ácidos fosfóricos. Se houver falta de nitrogênio, fósforo ou potássio, vários fertilizantes de nitrogênio, potássio e fósforo são adicionados às águas residuais. Estes elementos estão contidos nas águas residuais domésticas, pelo que muitos produtos químicos podem ter um efeito tóxico sobre os microrganismos, perturbando as suas funções vitais. Tais substâncias, ao entrarem na célula bacteriana, interagem com seus componentes e atrapalham suas funções, entre elas: S in, Ag, Cu, Co, Hg, Pv, etc. A quantidade de partículas suspensas não deve ser superior a 100 mg/l para filtros biológicos e 150 mg/l para tanques de aeração.

A intensidade e eficiência do tratamento de águas residuais dependem não apenas das condições de vida dos microrganismos, mas também da sua quantidade, ou seja, a dose de lodo ativado, que normalmente é mantida em tanques de aeração, é de 2 a 4 g/l. Aumentar a concentração de microrganismos nas águas residuais permite acelerar o processo de tratamento biológico, mas ao mesmo tempo é necessário aumentar a quantidade de oxigênio dissolvido na água, que é limitada pelo estado de saturação, e melhorar as condições de transferência de massa . Para o tratamento biológico, é necessário utilizar lodo ativado “jovem” com idade de 2 a 3 dias. Não incha, é mais resistente às oscilações de temperatura e pH e seus pequenos flocos assentam melhor. Uma condição importante para melhorar o tratamento biológico e reduzir o volume das estações de tratamento é a regeneração do lodo ativado, que consiste na sua aeração na ausência de substrato nutriente.

Para criar as condições mais favoráveis ​​​​para a transferência em massa de nutrientes e oxigênio para a superfície das células microbianas, é necessária a mistura de águas residuais e lodo ativado. Nesse caso, a turbulização do líquido leva à destruição dos flocos de lodo ativado, renovação de sua superfície, melhor fornecimento de nutrientes e oxigênio às células e cria condições de vida mais favoráveis ​​​​para os microrganismos.
4. Classificação dos métodos bioquímicos

São conhecidos métodos aeróbicos e anaeróbicos de tratamento bioquímico. Os métodos aeróbicos baseiam-se na utilização de grupos aeróbios de microrganismos, cuja vida requer um fluxo constante de oxigênio e uma temperatura de 20-40 ° C. Quando as condições de temperatura e oxigênio mudam, a composição e o número de microrganismos mudam; eles são cultivados em lodo ativado ou biofilme. Os métodos anaeróbicos ocorrem sem oxigênio e são usados ​​principalmente para tratar lodo. Todo o conjunto de estações de tratamento biológico pode ser dividido em três grupos com base na localização da biomassa ativa neles:

1) a biomassa ativa é fixada em um material estacionário, e as águas residuais deslizam em camada fina sobre o material de carga - biofiltros;

2) a biomassa ativa está na água em estado livre (suspenso) - tanques de aeração, canais de oxidação de circulação, oxitanques;

3) uma combinação de ambas as opções de localização de biomassa - biofiltros submersíveis, biotanques, tanques de aeração com enchimentos.

O tratamento biológico também pode ser realizado em condições naturais em instalações de tratamento de solo e em lagoas biológicas.
4.1. Métodos de limpeza aeróbica.

O tratamento em campos de irrigação, campos de filtração e lagoas biológicas distingue-se por custos de construção e operação relativamente baixos, capacidade tampão durante descargas de águas residuais, flutuações de pH, temperatura e um grau suficiente de remoção de nutrientes da água. As desvantagens incluem a sazonalidade do trabalho e a baixa taxa de oxidação de contaminantes. Os campos de irrigação e os campos de filtração são métodos de tratamento do solo.

Campos de irrigação são terrenos agrícolas especificamente concebidos para o tratamento de águas residuais e, ao mesmo tempo, para o cultivo de plantas. Nos campos de filtração, a purificação é realizada sem a participação das plantas. O tratamento de águas residuais em campos de irrigação baseia-se na influência da microflora do solo, do oxigênio do ar, do sol e da atividade das plantas. Uma camada ativa de solo com 1,5-2 m de espessura está envolvida no tratamento de águas residuais em um grau ou outro. A mineralização da matéria orgânica ocorre principalmente em. a camada superior de meio metro de solo. Ao mesmo tempo, aumenta a fertilidade do solo, o que está associado ao enriquecimento do solo com nitratos, fósforo e potássio. Contudo, a composição salina total das águas residuais não deve exceder 4-6 g/l para evitar a salinização do solo. As águas residuais são fornecidas aos campos de irrigação periodicamente em intervalos de 5 dias. No inverno, em áreas com invernos frios, as águas residuais ficam congeladas. Para coletar as águas residuais utilizadas nos campos de irrigação, são utilizados tanques de armazenamento com capacidade igual a seis meses de acúmulo de água nos mesmos.

Biológico lagoas- reservatórios criados artificialmente ou naturais nos quais o tratamento de águas residuais ocorre sob a influência de processos naturais de autopurificação. Podem ser utilizados tanto para autotratamento quanto para pós-tratamento profundo de águas residuais que passaram por tratamento biológico. São reservatórios rasos (0,5-1 m), bem aquecidos pelo sol e povoados por organismos aquáticos.

Nos processos que ocorrem em bioponds, observa-se um ciclo natural completo de destruição de poluentes orgânicos. O impacto de vários fatores no funcionamento das lagoas pode criar nelas condições aeróbicas e aeróbias-anaeróbicas. As lagoas que operam constantemente em condições aeróbicas são chamadas de aeradas, enquanto as lagoas com condições variáveis ​​são chamadas de facultativas.

As condições aeróbicas em lagoas podem ser mantidas através do fornecimento natural de oxigênio da atmosfera e da fotossíntese, ou através da introdução forçada de ar na água. Portanto, é feita uma distinção entre lagoas com aeração natural e artificial. O tempo de residência da água em lagoas com aeração natural varia de 7 a 60 dias. Juntamente com as águas residuais, o lodo ativado, que é uma semente, é removido dos tanques de decantação secundários. A eficiência da limpeza em lagoas é determinada pela época do ano; durante o período frio, diminui drasticamente;

Lagoas com aeração artificial têm um volume significativamente menor e o grau de purificação necessário é geralmente alcançado em 1-3 dias.

Biofiltros - estruturas artificiais de tratamento biológico - são estruturas redondas ou retangulares feitas de tijolo ou concreto armado, carregadas com material filtrante, em cuja superfície se desenvolve um biofilme. As águas residuais são filtradas através de uma camada de carga coberta por uma película de microrganismos, devido à atividade vital da qual é realizada a purificação. O biofilme gasto (morto) é lavado pelo fluxo de águas residuais e removido do biofiltro.

Com base no tipo de material de carregamento, os biofiltros são divididos em duas categorias: com carregamento volumétrico (granular) e plano. Pedra britada, cascalho, seixos, escória, argila expandida, anéis de cerâmica e plástico, cubos, bolas, cilindros, etc. são utilizados como carregamento granular. O carregamento plano consiste em malhas de metal, tecido e plástico, grades, blocos, chapas onduladas, filmes, etc., muitas vezes enrolados em rolos.

Os biofiltros com carga volumétrica são divididos em gotejamento, alta carga e torre. Os biofiltros de gotejamento são os de design mais simples, são carregados com material de frações finas de 1 a 2 m de altura e têm capacidade de até 1000 m 3 /dia e atingem um alto grau de purificação. Em filtros de alta carga, é utilizado um tamanho maior de peças de carregamento e sua altura é de 2 a 4 m. A altura de carregamento em filtros de torre atinge 8 a 16 m. até 50 mil m 3 /dia, tanto para tratamento biológico completo quanto incompleto.

Os filtros biológicos com carga plana têm uma capacidade de oxidação significativamente maior do que os filtros com carga volumétrica. A capacidade oxidante é a taxa de dissolução do oxigênio durante a aeração de água completamente desoxigenada à pressão atmosférica e temperatura de 20 °C (g O 2 /h)); Perto disso está o conceito de poder oxidativo - a taxa de reações de oxidação de poluentes (g O 2 / (m 3 h)).

Uma posição intermediária entre tanques de aeração e biofiltros é ocupada por biofiltros submersíveis e biotanques-biofiltros.

Biofiltros submersíveis (disco) são reservatórios nos quais existe um eixo giratório com discos montados nele, alternadamente em contato com águas residuais e ar. O tamanho dos discos é de 0,5-3 m, a distância entre eles é de 10-20 mm, podem ser de metal, plástico e cimento-amianto, o número de discos no eixo é de 20 a 200 . Um biofiltro de biotanque é um invólucro que contém elementos de carregamento de bandeja dispostos em um padrão xadrez. Esses elementos são irrigados de cima com água que, preenchendo-os, desce pelas bordas. Um biofilme se forma nas superfícies externas dos elementos e uma biomassa semelhante a lodo ativado se forma no interior. O design oferece alto desempenho e eficiência de limpeza.

Com base no princípio do fluxo de ar na espessura da carga aerada, os biofiltros podem ser com aeração natural e forçada.

Durante o período de inicialização dos filtros biológicos, um filme biológico é cultivado em pedaços de ração. O principal agente deste filme é a população microbiana. Os microrganismos do biofilme usam impurezas orgânicas nas águas residuais como fontes de nutrição e respiração, e a massa do biofilme aumenta. À medida que a espessura do filme aumenta, ele morre e é lavado pelo fluxo de águas residuais. A água purificada no biofiltro, juntamente com partículas de biofilme morto, entra no decantador secundário. A reciclagem de material biologicamente ativo geralmente não é prevista, devido à alta capacidade de retenção da estrutura da massa do biofilme.

Ao receber efluentes com DBO > 300 mg/l, para evitar assoreamento frequente da superfície do biofiltro, é prevista a recirculação - retorno de parte da água purificada para diluir o efluente original. A recirculação da água purificada aumenta o teor de oxigênio dissolvido na mistura, mantém uma carga hidráulica mais uniforme e equaliza a concentração de biofilme ao longo da altura da estrutura. No entanto, isto aumenta a necessidade de volumes de tanques de decantação e aumenta o consumo de energia para bombear água.

A distribuição das águas residuais sobre a superfície do biofiltro é realizada por aspersores estacionários (aspersores) ou aspersores de jato rotativo com abastecimento cíclico de água por 5 a 10 minutos.

O uso de biofiltros é limitado pela possibilidade de seu assoreamento, diminuição do poder oxidativo durante a operação, aparecimento de odores desagradáveis ​​e dificuldade de crescimento uniforme do filme.

Limpeza em tanques de aeração. O tratamento biológico aeróbico de grandes volumes de águas residuais é realizado em tanques de aeração - estruturas aeradas de concreto armado com lodo ativo flutuante no volume de água tratada, cuja biopopulação utiliza a poluição das águas residuais para sua subsistência.

Os tanques aerodinâmicos podem ser classificados de acordo com os seguintes critérios:

1) de acordo com a estrutura do fluxo - tanques de aeração-deslocadores, tanques de aeração-misturadores e tanques de aeração com entrada dispersa de líquido residual (tipo intermediário);

2) pelo método de regeneração de lodos ativados - tanques de aeração com regeneradores de lodos separados ou combinados;

3) de acordo com a carga do lodo ativado - carga alta (para tratamento incompleto), carga normal e baixa (com aeração prolongada);

4) pelo número de estágios - um, dois e múltiplos estágios;

5) de acordo com o modo de entrada de águas residuais - fluxo direto, semifluxo, com nível de operação variável, contato;

6) por tipo de aeração - pneumática, mecânica, hidrodinâmica combinada ou pneumomecânica;

7) de acordo com as características do projeto - retangulares, redondos, combinados, eixo, tanques de filtro, tanques de flotação, etc.

Os aerotanques são usados ​​em uma ampla gama de vazões de águas residuais, de várias centenas a milhões de metros cúbicos por dia.

Nos tanques-misturadores de aeração, a carga sobre o lodo e a taxa de oxidação dos contaminantes permanecem praticamente inalteradas ao longo do comprimento da estrutura. Eles são mais adequados para o tratamento de águas residuais industriais concentradas (BODp até 1000 mg/l) com flutuações significativas em sua vazão e concentração de contaminantes. Nos tanques de aeração-deslocadores, a carga de contaminantes no lodo e a taxa de sua oxidação variam desde os valores mais altos no início da construção até os mais baixos no final. Tais estruturas são utilizadas se for garantida uma adaptação suficientemente fácil do lodo ativado. Em tanques de aeração com abastecimento de água disperso ao longo de seu comprimento, as cargas unitárias no lodo diminuem e tornam-se uniformes. Essas instalações são utilizadas para tratar misturas de águas residuais industriais e municipais. A operação do tanque de aeração está intimamente ligada à operação normal do tanque de decantação secundário, a partir do qual o lodo ativado de retorno é bombeado continuamente para o tanque de aeração. Em vez de um tanque de decantação secundário, um flotador pode ser usado para separar o lodo da água.

Em um esquema monofásico sem regenerador, é impossível intensificar o processo de tratamento de águas residuais. Na presença de um regenerador, nele terminam os processos de oxidação e o lodo adquire suas propriedades originais. Esquemas de estágio único sem regeneração de lodo são usados ​​com uma DBO de 150 mg/l. O esquema de dois estágios é utilizado quando a concentração inicial de contaminantes orgânicos na água é alta, bem como quando há substâncias na água cujas taxas de oxidação variam acentuadamente. Na primeira fase do tratamento, a DBO das águas residuais é reduzida em 50-70%.

Para garantir o progresso normal do processo de oxidação biológica, o ar deve ser fornecido continuamente ao tanque de aeração. O sistema de aeração é um complexo de estruturas e equipamentos especiais que fornece oxigênio ao líquido, mantém o lodo em suspensão e mistura constantemente as águas residuais com o lodo. Para a maioria dos tipos de tanques de aeração, o sistema de aeração garante que essas funções sejam executadas simultaneamente. De acordo com o método de dispersão do ar na água, na prática são utilizados os seguintes sistemas de aeração: pneumático, mecânico, pneumomecânico e jato. Em nosso país, o sistema de aeração pneumática se tornou mais difundido.

Um tanque de aeração moderno é uma estrutura tecnologicamente flexível, que é um tanque de concreto armado tipo corredor equipado com sistema de aeração. A profundidade de trabalho dos tanques de aeração é de 3 a 6 m, a relação entre a largura do corredor e a profundidade de trabalho é de 1:1 a 2:1. Para tanques de aeração e regeneradores, o número de seções deve ser no mínimo duas; com produtividade de até 50 mil m 3 /dia são atribuídos de 4 a 6 trechos, com maior produtividade de 8 a 10 trechos, todos funcionando. Cada seção consiste em 2 a 4 corredores.

Os tanques de aeração de deslocamento são estruturas de longo corredor nas quais a água e o lodo ativado são fornecidos no início da estrutura e a mistura de lodo é descarregada no final dela. Neste caso, praticamente não há mistura da água que entra com a recebida anteriormente. Esses tanques de aeração consistem em vários corredores e podem ser com ou sem regenerador embutido. O comprimento desses tanques de aeração chega a 50-150 me o volume é de 1,5 a 30 mil m 3. Em grande medida, o modo de deslocamento corresponde ao projeto de tanques de aeração do tipo celular. São estruturas planas retangulares, divididas em vários compartimentos por divisórias transversais. A mistura do primeiro compartimento entra no segundo (por baixo), do segundo para o terceiro flui pela divisória (por cima), etc. Em cada célula é estabelecido um modo de mistura completo e a soma de vários misturadores sequenciais constitui um deslocador quase ideal. Neste caso, o movimento de retorno da água é impedido e não há mistura longitudinal.

As águas residuais e o lodo nos tanques de aeração-misturadores são fornecidos e descarregados uniformemente ao longo dos lados longos da estrutura. Acredita-se que a mistura recebida muito rapidamente (em cálculos instantaneamente) se mistura com o conteúdo de todo o tanque de aeração. Isso permite distribuir uniformemente os contaminantes orgânicos e o oxigênio dissolvido e garantir o funcionamento da estrutura em condições constantes e cargas elevadas. A largura do corredor do tanque-misturador de aeração é de 3 a 9 m, o número de corredores é de 2 a 4, o comprimento é de até 150 m.

Em comparação com os tanques de aeração-deslocadores, os tanques-misturadores de aeração apresentam uma alta concentração residual de impurezas na água purificada. Portanto, é aconselhável utilizá-los para o tratamento de águas residuais concentradas na primeira etapa, e tanques de aeração-deslocadores - na segunda etapa.

Tanques aeronáuticos- os misturadores podem ser interligados com tanques de decantação secundários e fabricados separadamente deles. Os tanques de decantação aerodinâmica (aceleradores aerodinâmicos) são compactos, permitem aumentar a recirculação da mistura de lodo sem o uso de estações de bombeamento especiais, melhorar o regime de oxigênio do tanque de decantação e aumentar a dose de lodo para 3-5 g/ l, aumentando consequentemente o poder oxidativo.

Os tanques de aeração do tipo intermediário combinam elementos de tanques de aeração deslocadores e tanques de aeração de mistura. Estes incluem tanques de aeração com abastecimento disperso de água e abastecimento concentrado de lodo ativado, bem como uma cascata de tanques-misturadores de aeração. Eles criam condições para uma concentração média de lodo ativado maior do que nos tanques de aeração-deslocadores e proporcionam uma limpeza de maior qualidade do que nos tanques de aeração-misturadores. São realizados na forma de estruturas de dois ou quatro corredores. Os custos de capital para a construção de tais tanques de aeração são reduzidos em pelo menos 15% em comparação com os discutidos acima, mantendo ao mesmo tempo a alta qualidade da limpeza.

Os oxytanks destinam-se ao tratamento bioquímico de águas residuais, onde é utilizado oxigênio técnico em vez de ar. Graças a isso, criam-se condições para aumentar a dose de lodo ativado (até 6-10 g/l), reduz-se o consumo de energia para aeração, aumenta-se o poder oxidativo (5-10 vezes maior que o dos tanques de aeração) e a eficiência do uso de oxigênio é de 90-95%.

Os esquemas típicos de tratamento bioquímico incluem, em regra, uma série de instalações para a média de águas residuais, o seu tratamento mecânico, a própria instalação de tratamento biológico, dispositivos para a preparação e dosagem de reagentes, pós-tratamento de águas residuais e tratamento de lamas. Os esquemas podem ser de estágio único ou de vários estágios. De acordo com o esquema acima, é realizado o tratamento conjunto de águas residuais industriais e domésticas. Com essa limpeza, o processo prossegue de forma mais constante e completa, pois As águas residuais domésticas contêm nutrientes e também diluem as águas residuais industriais. As águas residuais, pré-tratadas em estações de tratamento mecânico, são enviadas para tratamento biológico em tanques de aeração com regeneradores. O lodo ativado liberado nos tanques de decantação secundários é dividido em duas correntes: o lodo circulante é bombeado para o regenerador por meio de uma estação de bombeamento e, em seguida, para o tanque de aeração, o excesso de lodo é enviado para clarificação aos tanques de decantação primários; A água purificada é clorada e enviada ao reservatório ou devolvida à produção. O lodo separado é processado em digestores e desidratado em leitos de lodo. O gás liberado durante a digestão é queimado na sala da caldeira.
4.2. Métodos de limpeza anaeróbica.

Um processo de digestão anaeróbica pode ser usado para neutralizar lodo de esgoto e pré-tratar águas residuais concentradas. Dependendo do tipo final de produto, distinguem-se os seguintes tipos de fermentação: alcoólica, ácido propiônico, ácido láctico, metano, etc. Os produtos finais da fermentação são álcoois, ácidos, acetona, gases de fermentação (CO 2, H 2, CH 4).

A fermentação do metano é usada para tratar águas residuais. Este processo é complexo e consiste em várias etapas na fermentação do metano, distinguindo-se duas fases; Na primeira fase da fermentação (ácida), as substâncias orgânicas complexas são decompostas com a formação de ácidos orgânicos, assim como álcoois, amônia, acetona, H 2 S, CO 2, H 2, etc., como resultado dos quais as águas residuais são acidificadas a pH = 5-6. Então, sob a ação das bactérias metano (fase alcalina), os ácidos são destruídos com a formação de CH 4 e CO 2. Acredita-se que as taxas de transformação em ambas as fases sejam as mesmas. Em média, o grau de decomposição dos compostos orgânicos é de 40%.

Os processos de fermentação do metano são realizados em digestores - tanques hermeticamente fechados, equipados com dispositivos para introdução do lodo processado e remoção do lodo fermentado.

Os processos de fermentação são realizados em condições mesófilas (30-35 °C) e termofílicas (50-55 °C). Em condições termofílicas, a destruição dos compostos orgânicos ocorre de forma mais intensa. O digestor é um tanque de concreto armado com fundo cônico, equipado com dispositivo de captação e retirada de gases, além de aquecedor e agitador. São utilizados digestores com diâmetro de até 20 m e volume útil de até 4.000 m 3.

O processo de fermentação das águas residuais é realizado em duas etapas. Neste caso, parte do sedimento do segundo digestor é devolvido ao primeiro, onde é garantida uma boa mistura. Durante a fermentação, são liberados gases com teor médio de CH 4 - 63-65%, CO 2 - 32-34%. O poder calorífico do gás é de 23 MJ/kg; ele é queimado nos fornos das caldeiras a vapor. O vapor resultante é utilizado para aquecer sedimentos em digestores ou para outros fins.

Bibliografia

1. 
   Tecnologia de proteção ambiental /Rodionov A.I., Klushin V.N., Torocheshnikov N.S. Livro didático para universidades. – M.: Química, 1989.

1. 
   Komarova L.F., Kormina L.A. Métodos de engenharia para proteção ambiental. Tecnologia para proteger a atmosfera e a hidrosfera da poluição industrial: livro didático. –Barnaul, 2000.

Esses métodos são usados ​​​​para purificar águas residuais domésticas e industriais de muitas substâncias orgânicas solúveis e algumas substâncias inorgânicas (sulfeto de hidrogênio, amônia, sulfetos, nitritos, etc.). O processo de purificação é baseado na capacidade dos microrganismos de usar as substâncias listadas para nutrição no processo da vida - as substâncias orgânicas dos microrganismos são uma fonte de carbono. O tratamento bioquímico de águas residuais pode ocorrer em condições aeróbicas (oxidação bioquímica) e anaeróbicas (decomposição biológica).

Tratamento anaeróbico ocorre sob a influência de microrganismos anaeróbios, com isso, a quantidade de poluentes orgânicos contidos nas águas residuais é reduzida devido à sua conversão em gases (metano, dióxido de carbono) e sais dissolvidos, bem como ao crescimento da biomassa das plantas anaeróbias. A decomposição ocorre em 2 fases: primeiro, a matéria orgânica é convertida em ácidos orgânicos e álcoois (o primeiro grupo de microrganismos) e depois os ácidos orgânicos e álcoois em metano e dióxido de carbono (o segundo grupo de microrganismos).

O processo como um todo depende da manutenção de um ambiente favorável para ambos os grupos de microrganismos, e o equilíbrio entre as fases deve ser tal que os ácidos sejam removidos na mesma velocidade em que são formados. O método anaeróbio é utilizado principalmente para a digestão do excesso de lodo ativado gerado durante o tratamento anaeróbio.

A purificação em condições anaeróbicas ocorre na presença de oxigênio dissolvido na água, representando uma modificação do processo natural de autopurificação dos reservatórios que ocorre na natureza. Para o biotratamento de efluentes industriais, os processos mais comuns são os que utilizam lodos ativados, realizados em tanques de aeração. O lodo ativado é criado por partículas suspensas que não são retidas durante a sedimentação e por substâncias coloidais com microorganismos que se multiplicam sobre elas. O lodo ativado em um líquido aerado acelera significativamente os processos de oxidação e cria condições para processos de adsorção de substâncias orgânicas.

A destruição de substâncias orgânicas em dióxido de carbono e outros produtos de oxidação inofensivos ocorre devido à biocenose, ou seja, um complexo de todas as bactérias e microrganismos protozoários que se desenvolvem em uma determinada estrutura. O consumo dos componentes orgânicos das águas residuárias pelos microrganismos ocorre em 3 etapas: 1) transferência de massa de matéria orgânica e oxigênio do líquido para a superfície celular; 2) difusão de matéria e oxigênio através da membrana celular semipermeável; 3) metabolismo de produtos difundidos, acompanhado de aumento de biomassa, liberação de energia, dióxido de carbono, etc.

A intensidade e a eficiência do tratamento biológico de águas residuais são determinadas pela taxa de decomposição bacteriana.

O tratamento biológico de águas residuais pode ser realizado em condições naturais ou artificiais.

Em condições naturais, são utilizados terrenos especialmente preparados (campos de irrigação e filtração) ou lagoas biológicas. São reservatórios de terra com profundidade de 0,5¸1 m, nos quais ocorrem os mesmos processos da autopurificação de um reservatório.

Campos de irrigação– terrenos especialmente preparados e utilizados simultaneamente para tratamento de águas residuais e para fins agrícolas, ou seja, para o cultivo de grãos e silagem, ervas, vegetais, bem como para o plantio de arbustos e árvores. Os campos de filtração destinam-se apenas ao tratamento biológico de águas residuais.

Os campos de irrigação e lagoas biológicas estão localizados em terrenos com declive escalonado para que a água flua por gravidade de uma área para outra. A limpeza dos contaminantes ocorre através do processo de filtragem da água pelo solo, no qual ficam retidas partículas em suspensão e coloidais, formando um filme nos poros do solo. A penetração do oxigênio nas camadas profundas do solo é difícil, portanto a oxidação mais severa ocorre nas camadas superiores do solo, ou seja, a uma profundidade de até 0,2¸0,4 m.

Lagoas biológicas– concebidos para tratamento biológico e para pós-tratamento de águas residuais em combinação com outras instalações de tratamento. São feitos em forma de cascata de lagoas, composta por 3 a 5 degraus. O processo de tratamento de águas residuais é implementado de acordo com o seguinte esquema: as bactérias utilizam o oxigênio liberado pelas algas durante a fotossíntese, bem como o oxigênio do ar, para oxidar os poluentes. As algas consomem dióxido de carbono, fosfatos e nitrogênio amoniacal liberados durante a decomposição bioquímica da matéria orgânica. Portanto, para o funcionamento normal das lagoas, é necessário manter valores ideais de pH e temperatura das águas residuais. A temperatura deve ser de pelo menos 6°C e, portanto, os tanques não são utilizados no inverno.

Existem lagoas com aeração natural e artificial. A profundidade das lagoas com aeração superficial natural não ultrapassa 1 m. Ao aerar artificialmente as lagoas com arejadores mecânicos ou soprar ar pela coluna d'água, sua profundidade aumenta para 3 m. As desvantagens das lagoas são a baixa capacidade oxidante, a sazonalidade de operação e a necessidade de grandes áreas.

Instalações para tratamento biológico artificial Com base na localização da biomassa ativa neles, eles podem ser divididos em 2 grupos: 1) a biomassa ativa fica suspensa nas águas residuais tratadas (aerotanques, oxitanques); 2) a biomassa ativa é fixada em um material estacionário e as águas residuais fluem ao seu redor em uma fina camada de filme (biofiltros).

Tanques aeronáuticos São tanques de concreto armado, de planta retangular, divididos por divisórias em corredores separados.

As águas residuais após as estações de tratamento mecânico são misturadas com lodos ativados de retorno (biocenose) e, passando sucessivamente pelos corredores do tanque de aeração, entram no tanque de decantação secundário. O tempo de permanência do efluente tratado no tanque de aeração, dependendo de sua composição, varia de 6 a 12 horas. Durante esse período, a maior parte dos poluentes orgânicos é processada pela biocenose de lodo ativado. Para manter o lodo ativado em suspensão, misturá-lo intensamente e saturar a mistura tratada com oxigênio atmosférico, vários sistemas de aeração (geralmente mecânicos ou pneumáticos) são instalados em tanques de aeração. Dos tanques de aeração, a mistura de efluentes tratados e lodos ativados entra no tanque de decantação secundário, de onde o lodo ativado que se depositou no fundo é descarregado no reservatório da estação elevatória por meio de dispositivos especiais (bombas de lodo), e o purificado as águas residuais são fornecidas para purificação adicional ou desinfetadas. No processo de oxidação biológica, a biomassa do lodo ativado aumenta. Para criar condições ideais para sua vida, o excesso de lodo é retirado do sistema e enviado para estações de tratamento de lodo, e a maior parte na forma de lodo de retorno é devolvida ao tanque de aeração.

Complexos de estações de tratamento, que incluem tanques de aeração, têm capacidade de várias dezenas a 2¸3 milhões de m3 de águas residuais por dia.

Em vez de ar, pode ser fornecido oxigênio puro para aeração pneumática de águas residuais. Para este processo, são utilizados oxitanques, que têm um design um pouco diferente dos tanques de aeração. A capacidade oxidativa dos oxitencos é 3 vezes maior.

Biofiltros encontrando ampla aplicação com consumo diário de águas residuais domésticas e industriais de até 20-30 mil m 3 por dia. O componente mais importante dos biofiltros é o material de carga. Com base no tipo de material de carregamento, são divididos em 2 categorias: com carregamento volumétrico e plano. Os biofiltros são tanques redondos e retangulares preenchidos com material de carga. O material volumétrico constituído por brita, argila expandida, escória com tamanho de fração de 15¸80 mm, após a triagem das frações, é preenchido com uma camada de 2¸4 m de altura. O material plano é feito em forma de elementos tubulares duros (anel). feitos de plástico, cerâmica, metal) e blocos macios (tecido laminado), que são montados no corpo do biofiltro em uma camada de 8 m de espessura.

As águas residuais fornecidas acima da superfície do material de carregamento são distribuídas uniformemente através dele, enquanto um filme biológico (biocenose) se forma na superfície do material, semelhante ao lodo ativado em tanques de aeração. O material de carregamento é sustentado por um fundo treliçado, por meio de cujos orifícios o efluente tratado entra no fundo sólido do biofiltro e é descarregado do biofiltro para um tanque de decantação secundário por meio de bandejas.

Biofiltros com carga volumétrica são eficazes para tratamento biológico completo. Biofiltros com carregamento plano também podem ser usados ​​​​para tratamento biológico completo, mas é mais conveniente usá-los como o primeiro estágio do tratamento biológico em dois estágios quando há emissões de ruptura de águas residuais industriais altamente concentradas ou quando complexos de tratamento estão sendo reconstruídos.

Na operação de instalações de tratamento biológico, é necessário cumprir as regulamentações tecnológicas de seu funcionamento, para evitar sobrecargas e principalmente saraivadas de componentes tóxicos, pois tais violações podem prejudicar a vida dos organismos. Portanto, nas águas residuais enviadas para tratamento biológico, o teor de petróleo e derivados não deve ser superior a 25 mg/l, surfactantes - não superior a 50 mg/l, sais dissolvidos - não superior a 10 g/l.

O tratamento biológico não garante a destruição completa de todas as bactérias patogênicas nas águas residuais. Portanto, após isso, a água é desinfetada com cloro líquido ou água sanitária, ozonização, radiação ultravioleta, eletrólise ou ultrassom.

A desinfecção das águas residuais tratadas é realizada para destruir as bactérias, vírus e microrganismos patogênicos nelas contidos; o efeito de desinfecção deve ser quase 100%. Portanto, após a purificação completa, compostos de cloro ou outros agentes oxidantes fortes (ozônio) são introduzidos nas águas residuais, que protegem os corpos d'água da entrada de patógenos neles.

Os mais perigosos para as águas naturais, a saúde humana, os animais e os peixes são os diversos resíduos radioativos gerados nas usinas nucleares durante o processamento do combustível nuclear. O tratamento de águas residuais contendo contaminação radioativa depende do nível de atividade e da salinidade. Águas com baixo teor de salinidade são tratadas com troca iônica e filtros aluviais. Com alto teor de sal, são utilizados métodos de eletrodiálise e evaporação, e os contaminantes residuais são removidos por meio de unidades de troca iônica. Todas as águas residuais com radioatividade acima do nível permitido são drenadas para reservatórios subterrâneos especiais ou bombeadas para piscinas de drenagem subterrâneas profundas.

Os efluentes contêm substâncias de origem orgânica e inorgânica, com muito mais substâncias orgânicas. E se a maneira mais fácil de se livrar das inclusões inorgânicas for mecanicamente, serão necessários outros métodos para remover as impurezas orgânicas. Um dos principais é o tratamento biológico de águas residuais. Você aprenderá sobre seus recursos, variedades e tecnologias neste artigo.

Água é vida, mas nós a consumimos limpa e a devolvemos suja. Se os ralos não forem limpos, o tempo da “umidade preciosa” descrito por muitos escritores de ficção científica chegará muito em breve. A natureza pode purificar a água sozinha, mas esses processos ocorrem muito lentamente. O número de pessoas está aumentando, o volume de consumo de água também está aumentando, por isso o problema do tratamento organizado e completo das águas residuais é especialmente agudo. A tecnologia de purificação de água mais eficaz é a biológica. Mas, antes de considerar os princípios básicos de seu funcionamento, é preciso entender a composição da água.

Composição das águas residuais domésticas

Qualquer casa com água encanada também possui rede de esgoto. Garante processos normais de transporte de águas residuais de apartamentos e casas para estações de tratamento. Os canos de esgoto contêm água comum, mas está poluída. Contém apenas 1% de impurezas, mas é isso que torna as águas residuais inadequadas para uso posterior. Somente após a purificação a água pode ser reutilizada para beber e para uso diário.

A composição exata das águas residuais não pode ser nomeada, pois depende do local onde é retirada uma amostra especial, mas mesmo no mesmo local a quantidade e o conjunto de impurezas podem variar. Na maioria das vezes, a água contém partículas sólidas, impurezas biológicas e inclusões inorgânicas. Com a matéria inorgânica tudo é simples - até o filtro mais simples remove, mas com a orgânica você terá que lutar. Se nada for feito, essas substâncias começam a se desintegrar e formar um sedimento apodrecido (daí a característica desagradável “cheiro de esgoto”). Além disso, não só a matéria orgânica decomposta começa a apodrecer, mas também a água.

Em suma, as águas residuais contêm gorduras, surfactantes, fosfatos, compostos de cloreto e nitrogênio, produtos petrolíferos e sulfatos. Eles não podem desaparecer sozinhos da água - eles precisam de uma limpeza completa. O problema é especialmente grave nas casas que possuem sistema autônomo de drenagem e abastecimento de água, pois cada local possui uma fossa e um poço de água. Se os ralos não forem limpos, eles podem acabar na torneira – e a situação pode ser fatal.

Métodos para tratamento de águas residuais domésticas e industriais

As águas residuais podem autopurificar-se em condições naturais, mas apenas se o seu volume for pequeno. Como o setor industrial está altamente desenvolvido hoje, volumes significativos de águas residuais são gerados na saída. E para conseguir água limpa, a pessoa deve resolver a questão do esgoto - ou seja, purificando-o. Existem vários métodos de tratamento de águas residuais - mecânico, químico, físico-químico e biológico. Vamos dar uma olhada mais de perto nas características de cada um deles.

A limpeza mecânica envolve o uso de técnicas como filtração e sedimentação. As principais ferramentas são grades, peneiras, filtros, armadilhas e armadilhas. Quando a água passa por purificação primária, ela entra em um tanque de decantação - recipiente projetado para sedimentar águas residuais com formação de sedimentos. A limpeza mecânica é usada na maioria dos sistemas modernos, mas raramente como método independente. Acontece que não é adequado para remover componentes químicos e impurezas orgânicas.

A purificação química é realizada por meio de reagentes - produtos químicos especiais que reagem com as impurezas contidas na água e formam um precipitado insolúvel. Como resultado, o conteúdo de matéria suspensa solúvel é reduzido em 25% e de matéria suspensa insolúvel em 95%.

A purificação físico-química envolve o uso de técnicas como oxidação, coagulação, extração e assim por diante. Esses processos permitem remover inclusões inorgânicas da água e destruir impurezas orgânicas pouco oxidadas. O método de limpeza física e química mais popular é a eletrólise.

O tratamento biológico é um processo baseado na utilização de microrganismos específicos e nos princípios de sua vida. As bactérias atuam especificamente sobre poluentes orgânicos específicos e ocorre a purificação da água.

Métodos de tratamento biológico de águas residuais e seus benefícios. Estações e estruturas para tratamento biológico de águas residuais

Os métodos de tratamento biológico de águas residuais incluem tanques de aeração, filtros biológicos e os chamados bioponds. Cada método possui características próprias, das quais falaremos a seguir.

Tanques aeronáuticos

Este método de tratamento biológico envolve a interação de águas residuais previamente purificadas mecanicamente e lodo ativado. A interação ocorre em contêineres especiais - são compostos por pelo menos duas seções e são equipados com sistemas de aeração. O lodo ativado contém um grande número de microrganismos aeróbios que, em condições adequadas, removem diversos poluentes das águas residuais. O lodo é um sistema complexo de biocenose no qual as bactérias, sujeitas a um suprimento regular de oxigênio, começam a absorver impurezas orgânicas. A purificação biológica ocorre constantemente sob uma condição principal - o ar deve entrar na água. Quando o processamento orgânico é concluído, o nível de consumo de oxigênio (DBO) cai e a água é fornecida para as seções seguintes.

Em outras seções, estão incluídas no trabalho bactérias nitrificantes, que processam um elemento como o nitrogênio a partir de sais de amônio para formar nitritos. Esses processos são realizados por uma parte dos microrganismos, enquanto a outra se alimenta de nitritos para formar nitratos. Após a conclusão deste processo, as águas residuais tratadas são alimentadas em um tanque de decantação secundário. Aqui o lodo ativado precipita e a água purificada é enviada para reservatórios.

Biofilter é uma estação de tratamento biológico popular entre os proprietários de casas de campo. É um dispositivo compacto que inclui um reservatório com carregamento de material. Na forma de um filme ativo no biofiltro existem microrganismos que realizam os mesmos processos do primeiro caso.

Tipos de instalações:

• dois estágios;
• filtração por gotejamento.

O desempenho dos dispositivos com filtragem por gotejamento é baixo, mas garantem o máximo grau de purificação de águas residuais. O segundo tipo é mais produtivo, mas a qualidade da limpeza será aproximadamente a mesma do primeiro caso. Ambos os filtros consistem no chamado “corpo”, um distribuidor, sistemas de drenagem e distribuição de ar. O princípio de funcionamento dos biofiltros é semelhante ao princípio de funcionamento dos tanques de aeração.

Lagoas biológicas

Para realizar o tratamento de águas residuais por este método, deve haver um reservatório artificial aberto onde ocorrerão os processos de autopurificação. Este método é o mais eficaz; mesmo lagos rasos com até um metro de profundidade são adequados. Uma área superficial significativa permite um bom aquecimento da água, o que também tem o efeito necessário nos processos vitais dos microrganismos envolvidos na purificação. Este método é mais eficaz na estação quente - em temperaturas de cerca de 6 graus ou menos, os processos de oxidação são suspensos. No inverno, a limpeza não ocorre.

Tipos de lagoas:

• piscicultura (com diluição);
• multiestágio (sem diluição);
• lagoas de tratamento terciário.

No primeiro caso, as águas residuais são misturadas com a água do rio e depois enviadas para lagoas. Na segunda, a água é enviada para o reservatório sem diluição imediatamente após a sedimentação. O primeiro método requer cerca de duas semanas e o segundo - um mês. A vantagem dos sistemas multiestágios é o seu preço relativamente baixo.

Quais são as vantagens do tratamento biológico de águas residuais?

O tratamento biológico de águas residuais garante a produção de quase 100% de água limpa. No entanto, observe que a bioestação não é usada como um método independente. Você só pode obter água cristalina se primeiro remover as impurezas inorgânicas por outros meios e depois remover a matéria orgânica usando um método biológico.

Bactérias aeróbicas e anaeróbicas – o que são?

Os microrganismos utilizados no processo de tratamento de águas residuais são divididos em aeróbios e anaeróbios. Os aeróbicos existem apenas em um ambiente que contém oxigênio e decompõem completamente a matéria orgânica em CO2 e H2O, ao mesmo tempo que sintetizam sua própria biomassa. A fórmula para este processo é a seguinte:

CxHyOz + O2 -> CO2 + H2O + biomassa bacteriana,

onde CxHyOz é uma substância orgânica.

Os microrganismos anaeróbicos sobrevivem normalmente sem oxigénio, mas o seu crescimento de biomassa é pequeno. Bactérias deste tipo são necessárias para a fermentação de compostos orgânicos sem oxigênio com a formação de metano. Fórmula:

CxHyOz -> CH4 + CO2 + biomassa bacteriana

As técnicas anaeróbicas são indispensáveis ​​em altas concentrações de matéria orgânica – que excedem o máximo permitido para microrganismos aeróbios. Com baixo teor de matéria orgânica, os microrganismos anaeróbios, ao contrário, são ineficazes.

Finalidade dos métodos biológicos de purificação de água

A maioria dos resíduos poluentes são substâncias de origem orgânica. As principais fontes desses poluentes e consumidores de águas residuais tratadas:

• Habitação e serviços comunitários, empresas da indústria alimentar e complexos pecuários.
• Empresas das indústrias química, de refino de petróleo, de papel e celulose e de couro.

A composição das águas residuais nestes casos será diferente. Uma coisa é certa - somente com uma limpeza completa e com o uso obrigatório de métodos biológicos é que podem ser alcançados resultados ideais.

Princípios do tratamento biológico e lista de equipamentos necessários

Tendo em conta os princípios atuais do tratamento biológico, são selecionados equipamentos para a organização de uma estação de tratamento biológico. Principais opções:

• lagoas biológicas;
• campos de filtro;
• biofiltros;
• tanques de aeração;
• metatenks;
• poços de filtragem;
• filtros de areia e cascalho;
• canais de oxidação de circulação;
• biorreatores.

Observe que diferentes técnicas podem ser usadas para tratamento de águas residuais artificiais e naturais.

Tratamento de águas residuais por métodos biológicos: vantagens e desvantagens

Os métodos biológicos são eficazes para purificar águas residuais a partir de matéria orgânica, mas resultados verdadeiramente elevados só podem ser alcançados através da utilização integrada de diferentes métodos. Além disso, as possibilidades das bactérias não são ilimitadas - os microrganismos removem pequenas impurezas orgânicas. O custo das estações de tratamento biológico é relativamente baixo.

Todos os métodos de tratamento de águas residuais

Antes de entrar no sistema de tratamento biológico, as águas residuais devem passar por purificação mecânica, e após - desinfecção (cloração, ultrassom, eletrólise, ozonização, etc.) e desinfecção. Portanto, como parte do tratamento abrangente de águas residuais, também são utilizados métodos químicos, mecânicos, de membrana e reagentes.

Qualquer água residual contém componentes de origem orgânica e inorgânica. Se for fácil eliminar inclusões inorgânicas grandes e densas usando métodos de filtração mecânica, então não será possível eliminar componentes orgânicos complexos presentes na água na forma de suspensão. Isso exigirá tratamento bioquímico de águas residuais. Esta técnica não é menos eficaz e nem tão cara quanto os métodos de limpeza artificial. Além disso, este método de limpeza não requer um processo complexo de reciclagem dos reagentes utilizados.

O método de limpeza bioquímica baseia-se na utilização de bactérias especiais que, durante a sua atividade vital, decompõem compostos orgânicos complexos em elementos mais simples - água, dióxido de carbono e sedimentos minerais.

Estas bactérias estão constantemente presentes no solo e na água, onde contribuem para a purificação natural do solo e da água. Mas como sua concentração é baixa, os processos naturais de limpeza ocorrem lentamente.

Nas estações de tratamento de águas residuais onde o tratamento bioquímico é utilizado, existem enormes colônias de bactérias envolvidas no processamento das águas residuais. Ao mesmo tempo, criam-se nestas estruturas condições favoráveis ​​​​à vida dos microrganismos, o que permite acelerar significativamente os processos de purificação da água na estrutura em comparação com a purificação natural na natureza.

Via de regra, a purificação bioquímica utiliza um dos dois tipos de bactérias ou uma combinação deles:

• Microrganismos aeróbicos processam compostos orgânicos complexos. Como resultado da oxidação, eles se decompõem em água, sedimentos minerais e dióxido de carbono. A principal característica dessas bactérias é que elas precisam de oxigênio, por isso as estruturas que as utilizam são equipadas com arejadores e compressores.
• Os microrganismos anaeróbios estão sempre presentes em pequenas quantidades nas águas residuais. Essas bactérias não necessitam de oxigênio. No entanto, eles precisam de dióxido de carbono e nitratos para realizar as suas atividades vitais. Esses organismos emitem metano durante sua vida, por isso é necessário utilizar um sistema de ventilação na edificação.

Métodos de purificação bioquímica

Hoje são utilizados os seguintes métodos bioquímicos de tratamento de águas residuais:

1. Lagoas biológicas.
2. Projetos que utilizam métodos de limpeza aeróbica - tanques de aeração e biofiltros.
3. Dispositivos de tratamento com decomposição anaeróbia (fossas sépticas, decantadores e digestores).

Bioponds

São reservatórios artificiais de pequena profundidade (0,5-1 m), nos quais as águas residuais passam por processos que lembram muito a autopurificação natural. Essas lagoas são bem aquecidas pelo sol, por isso criam condições favoráveis ​​​​para a vida das bactérias.

O maior efeito sanitário das lagoas é alcançado na estação quente. Assim, as colônias de E. coli são destruídas em 99%, os microrganismos nocivos do grupo intestinal são completamente destruídos, a oxidação do meio ambiente é reduzida em 90% e a concentração de amônio e nitrogênio orgânico é reduzida em 97%.

Importante: este método de limpeza também pode ser utilizado no inverno. Lagoas podem funcionar sob uma camada de gelo. Só é necessário tirar a neve para que a luz solar atinja as bactérias.

As lagoas biológicas vêm em vários tipos:

• Reservatórios de fluxo, em que as águas residuais são diluídas com a água do rio. Após o tanque de decantação, as águas residuais são misturadas com água na proporção de 1 para 3-5. Aqui o líquido é purificado por 14 a 21 dias. O lago é adequado para piscicultura e criação de patos. A desvantagem é a necessidade de construção de um tanque de decantação e a necessidade de água do rio.
• Lagoas fluidas em que o efluente não é diluído com a água do rio. Este método de tratamento envolve a passagem de águas residuais através de uma cascata de 4 a 5 reservatórios. O primeiro tanque deve ter uma barreira para conter sedimentos sólidos, enquanto o último tanque é adequado para piscicultura.
• Reservatórios para tratamento de águas residuais utilizado em estações de tratamento biológico onde não é possível processar grandes volumes de águas residuais ou onde é necessário um elevado grau de purificação. Normalmente, todo o sistema consiste em 2-3 tanques, nos quais os peixes também podem ser criados.
• Lagoas anaeróbicas atingir vários metros de profundidade. Métodos de limpeza anaeróbica são usados ​​aqui. As principais desvantagens de tais lagoas são que o metano é constantemente liberado no meio ambiente e bactérias patogênicas podem entrar nas águas subterrâneas.
• Reservatórios de contato. O princípio da purificação aqui baseia-se no fato de que na água estagnada os processos de oxidação bioquímica ocorrem muito mais rapidamente. O sistema consiste em uma série de cartões paralelos. A água se move de um corpo d'água para outro todos os dias. O processo de limpeza completo é concluído em 5 a 10 dias.

Estações de tratamento de decomposição aeróbica

Tais estruturas incluem biofiltros e tanques de aeração. O princípio de funcionamento do biofiltro baseia-se no fato de que a água contaminada passa primeiro por uma etapa de purificação mecânica. Depois de algum tempo, a carga (parte do biofiltro) começa a ficar suja com filme biológico. Este processo ocorre devido à adsorção de microrganismos das águas residuais. Só depois disso começam os processos de oxidação bioquímica da matéria orgânica.

Importante: a principal condição para uma limpeza eficaz é a presença de um bom arejamento.

Um biofiltro é uma estrutura preenchida com material de granulação grossa que não pode inchar (escória, seixos, brita). A superfície deste material é irrigada com resíduos a cada 10-15 minutos. O líquido que passou pelo filtro passa pelos orifícios de drenagem e flui para as bandejas. A aeração de um filtro biológico pode ser artificial ou natural. Os métodos de aeração artificial podem acelerar significativamente os processos de oxidação biológica.

Um tanque de aeração é uma instalação de tratamento que utiliza os princípios do tratamento biológico natural de águas residuais. Porém, a intensidade desses processos é muito maior. A aeração de águas residuais aqui é realizada bombeando ar com aeradores e compressores. Aqui, as funções de um filme biológico são desempenhadas por lodos ativados - são flocos especiais que consistem em uma suspensão de microrganismos.

Os princípios de limpeza em tal instalação são os seguintes:

1. As águas residuais, misturadas com lodo ativado, entram em um longo tanque e passam por ele.
2. Para manter o lodo em suspensão e acelerar os processos oxidativos, o ar é constantemente bombeado sob pressão para o sistema.
3. Após a conclusão do processo de oxidação, a mistura de lodo e efluente entra em um tanque de decantação secundário, onde o lodo ativado é separado da água purificada. O lodo ativado é bombeado de volta para o tanque de aeração por meio de transporte aéreo.
4. Após a desinfecção, a água pode ser despejada em corpos hídricos.

Importante: este método de limpeza leva à formação de grande quantidade de lodo ativado, por isso deve ser removido periodicamente. O lodo ativado resultante pode ser usado para fertilizar campos.

O lodo ativado é uma biomassa composta por bactérias, protozoários, microrganismos nitrificantes e desnitrificantes, além de fungos. Não há representantes do grupo das algas na composição. O lodo ativado adsorve perfeitamente as bactérias coliformes.

Estações de tratamento de digestão anaeróbica

O lodo de esgoto consiste em 95% de água, 5% de carboidratos, gorduras e proteínas. Métodos bioquímicos também são usados ​​para desinfetar lodos em estações de tratamento de águas residuais. Eles permitem alterar a estrutura do lodo, tornando-o uma substância de secagem rápida e facilmente reciclável.

Os processos de fermentação anaeróbica em condições naturais ocorrem com liberação de metano, água e dióxido de carbono. Existem os seguintes tipos de instalações de tratamento que utilizam processos de decomposição anaeróbica:

• As fossas sépticas são estruturas que combinam os processos de fermentação e formação de sedimentos. Esses projetos são adequados para a manutenção de pequenos objetos - casas de campo e dachas. A limpeza da fossa séptica pode ser feita manualmente, pois as dimensões da estrutura são pequenas. Normalmente, este procedimento é realizado 1 a 2 vezes por ano. O lodo digerido da fossa séptica não pode ser usado como fertilizante porque representa uma ameaça ao meio ambiente. Antes do descarte do lodo, ele deve ser desinfetado por aquecimento a 60 graus. As fossas sépticas podem consistir em 1, 2 ou 3 câmaras. Estas estruturas são adequadas para o tratamento preliminar de águas residuais, após o que requerem tratamento adicional em campos de filtração, em poços de filtração ou valas.
• Digestores. Aqui, o lodo é fermentado por aquecimento artificial. As águas residuais chegam aqui depois do tanque de decantação primário. Um digestor é um tanque fechado no qual é realizada a digestão anaeróbica do lodo. Nessas estruturas, novos sedimentos são constantemente misturados com sedimentos maduros. A eficiência de toda a estrutura depende da quantidade de sedimentos maduros. Quanto mais, melhor.
• Tanques de decantação de dois níveis diferem das fossas sépticas porque muitas de suas desvantagens são eliminadas. Assim, os gases liberados durante a decomposição do lodo não podem entrar nas águas residuais líquidas. Nestes projetos, o processo de fermentação pode durar de 1 a 6 meses. Ao mesmo tempo, há um coletor de gás acima do tanque de decantação de dois níveis. O lodo digerido é alimentado nas plantações de lodo para secagem. A decomposição da matéria orgânica em um reservatório é muito mais rápida e eficiente do que em uma fossa séptica. Tais estruturas não são utilizadas em latitudes médias, pois a digestão do lodo não pode ser realizada no inverno.

→ Tratamento de águas residuais

Base bioquímica dos métodos biológicos de tratamento de águas residuais

Os métodos biológicos de tratamento de águas residuais baseiam-se nos processos naturais da atividade vital de microrganismos heterotróficos. Sabe-se que os microrganismos possuem uma série de propriedades especiais, das quais devem ser distinguidas três principais, amplamente utilizadas para fins de limpeza:
1. Capacidade de consumir uma grande variedade de compostos orgânicos (e alguns inorgânicos) como fontes alimentares para obter energia e garantir o seu funcionamento.

2. Em segundo lugar, esta propriedade consiste em multiplicar-se rapidamente. Em média, o número de células bacterianas duplica a cada 30 minutos. De acordo com o Prof. N.P. Blinov, se os microrganismos pudessem se multiplicar sem impedimentos, então, com nutrição suficiente e condições adequadas, em 5 a 7 dias a massa de apenas um tipo de microrganismos encheria as bacias de todos os mares e oceanos. Isto, no entanto, não acontece tanto devido às fontes alimentares limitadas como devido ao equilíbrio ecológico natural existente.

3. A capacidade de formar colônias e acumulações, que podem ser separadas com relativa facilidade da água purificada após a conclusão dos processos de remoção dos contaminantes nela contidos.

Em uma célula microbiana viva, dois processos ocorrem contínua e simultaneamente - a quebra de moléculas (catabolismo) e sua síntese (anabolismo), que constituem o processo metabólico geral - metabolismo. Em outras palavras, os processos de destruição dos compostos orgânicos consumidos pelos microrganismos estão indissociavelmente ligados aos processos de biossíntese de novas células microbianas, diversos produtos intermediários ou finais, cuja implementação consome a energia recebida pela célula microbiana como resultado do consumo de nutrientes. A fonte de nutrição dos microrganismos heterotróficos são carboidratos, gorduras, proteínas, álcoois, etc., que podem ser decompostos por eles em condições aeróbicas ou anaeróbicas. Uma parcela significativa dos produtos da transformação microbiana pode ser liberada pela célula no meio ambiente ou acumular-se nele. Alguns produtos intermediários servem como reserva nutricional que a célula utiliza após o esgotamento da nutrição principal.

Todo o ciclo de relações entre a célula e o meio ambiente no processo de remoção e transformação de nutrientes é determinado e regulado por enzimas apropriadas. As enzimas estão localizadas no citoplasma e em várias subestruturas embutidas na membrana celular, liberadas na superfície celular ou no meio ambiente. O conteúdo total de enzimas em uma célula atinge 40-60% do conteúdo total de proteínas nela, e o conteúdo de cada enzima pode variar de 0,1 a 5% do conteúdo de proteína. Além disso, as células podem conter mais de 1.000 tipos de enzimas, e cada reação bioquímica realizada por uma célula pode ser catalisada por 50-100 moléculas da enzima correspondente. Algumas enzimas são proteínas complexas (proteínas), contendo além da parte proteica (apoenzima) uma parte não proteica (coenzima). Em muitos casos, as coenzimas são vitaminas, às vezes complexos contendo íons metálicos.

As enzimas são divididas em seis classes de acordo com a natureza das reações que catalisam: processos oxidativos e de redução; transferência de vários grupos químicos de um substrato para outro; clivagem hidrolítica de ligações químicas de substratos; a clivagem ou adição de um grupo químico do substrato; mudança dentro do substrato; conectando moléculas de substrato usando compostos de alta energia.

Como a célula microbiana consome apenas substâncias orgânicas dissolvidas em água, a penetração de substâncias insolúveis em água, como amido, proteínas, celulose, etc. na célula só é possível após seu preparo adequado, para o qual a célula libera as enzimas necessárias em o líquido circundante sua clivagem hidrolítica em subunidades mais simples.

As coenzimas determinam a natureza da reação catalisada e são divididas em três grupos de acordo com as funções que desempenham:
1. Transporte de íons ou elétrons de hidrogênio. Associado a enzimas redox - oxidoredutases.
2. Participar na transferência de grupos de átomos (ATP - ácido adenosina trifosfato, fosfatos de carboidratos, CoA - coenzima A, etc.)
3. Catalisar reações de síntese, decomposição e isomerização de ligações de carbono.

O mecanismo de remoção da solução e subsequente dissimilação do substrato é muito complexo e de natureza multifásica, reações bioquímicas interligadas e sequenciais determinadas pelo tipo de nutrição e respiração das bactérias. Basta dizer que muitos aspectos deste mecanismo ainda não estão totalmente claros, apesar da sua utilização prática, tanto no domínio da biotecnologia como no domínio da purificação bioquímica da água a partir de impurezas orgânicas numa vasta gama de esquemas de concepção tecnológica.

O modelo mais antigo do processo de remoção bioquímica e oxidação de contaminantes baseava-se em três princípios principais: remoção por sorção e acúmulo da substância removida na superfície celular; movimento de difusão através da membrana celular da própria substância, ou dos produtos de sua hidrólise, ou de um complexo hidrofóbico formado por uma substância penetrante hidrofílica e uma proteína intermediária; transformação metabólica dos nutrientes que entram na célula, garantindo a penetração por difusão da substância na célula.

De acordo com esse modelo, acreditava-se que o processo de retirada de nutrientes da água começa com sua sorção e acúmulo na superfície celular, o que exige mistura constante da biomassa com o substrato, proporcionando condições favoráveis ​​para a “colisão” das células com moléculas de substrato.

O mecanismo de transferência de uma substância da superfície da célula para ela - este modelo explicado pela ligação da substância penetrante a uma proteína transportadora específica, que é um componente da membrana celular, que, após a introdução da substância no célula, é liberada e devolvida à sua superfície para completar uma nova “captura” da substância e um novo ciclo de transferência, ou por dissolução direta desta substância na substância da parede e membrana citoplasmática, devido à qual se difunde na célula . O processo de consumo estável da substância iniciou-se somente após um certo “período de equilíbrio” da substância entre a solução e as células, o que foi explicado pela ocorrência da hidrólise e pelo movimento de difusão da substância através da membrana celular até a membrana citoplasmática. , onde várias enzimas estão concentradas. Com o início das transformações metabólicas, o equilíbrio de sorção é perturbado e o gradiente de concentração garante a continuidade do fornecimento adicional do substrato à célula.

No terceiro estágio, ocorrem todas as transformações metabólicas do substrato, em parte em produtos finais como dióxido de carbono, água, sulfatos, nitratos (o processo de oxidação de substâncias orgânicas), em parte em novas células microbianas (o processo de síntese de biomassa), se o processo de transformação de compostos orgânicos ocorrer em condições aeróbicas. Se a oxidação bioquímica ocorrer em condições anaeróbicas, então, em seu processo, vários produtos intermediários (possivelmente para fins específicos), CH4, NH3, H2S, etc., e novas células podem ser formados.

Este modelo, no entanto, não conseguiu explicar algumas das características cinéticas dos processos de transporte de transferência de substrato e, em particular, a acumulação de substrato na célula contra um gradiente de concentração, que é o resultado mais comum destes processos e é denominado “ transporte ativo”, em contraste com o transporte difusivo. Uma característica dos processos de transporte ativo é sua estereoespecificidade, quando substâncias semelhantes em estrutura química competem por um transportador comum, e não simplesmente se difundem na célula sob a influência de um gradiente de concentração.

À luz das visões modernas, o modelo de movimento do substrato através da membrana celular pressupõe a presença de um “canal” hidrofílico nela, através do qual os substratos hidrofílicos podem penetrar na célula. No entanto, em contraste com o modelo descrito acima, aqui ocorre movimento estereoespecífico, provavelmente alcançado devido à transferência de moléculas de substrato em “corrida de revezamento” de um grupo funcional para outro. Neste caso, o substrato, como uma chave, abre o canal apropriado para sua penetração (modelo de canal transmembrana).

O segundo modelo alternativo pode ser visto como uma combinação dos dois primeiros, utilizando as suas propriedades positivas. Assume a presença de um transportador de membrana hidrofóbica, que, através de sucessivas alterações conformacionais causadas pelo substrato, o conduz do lado externo para o interno da membrana (modelo de translocação conformacional), onde o complexo hidrofóbico se desintegra. Nesta interpretação do mecanismo de transporte de substrato através da membrana celular, o termo “transportador” ainda é utilizado, embora seja cada vez mais substituído pelo termo “permease”, que leva em conta a base genética da sua codificação como um componente da membrana. da célula com a finalidade de transportar substâncias para dentro da célula.

Foi estabelecido que os sistemas de transporte de membrana muitas vezes incluem mais de um mediador proteico e pode haver uma divisão de funções entre eles. As proteínas de “ligação” identificam o substrato no meio, fornecem-no e concentram-no na superfície externa da membrana e transferem-no para o transportador “verdadeiro”, ou seja, componente que transporta o substrato através da membrana. Assim, foram isoladas proteínas envolvidas no “reconhecimento”, ligação e transporte de uma série de açúcares, ácidos carboxílicos, aminoácidos e íons inorgânicos nas células de bactérias, fungos e animais.

A transformação do processo de transferência de substâncias para a célula em um processo unidirecional de transporte “ativo”, levando a um aumento no conteúdo de nutrientes na célula contra seu gradiente de concentração no ambiente, requer certos gastos de energia da célula. Portanto, os processos de transferência do substrato do ambiente para a célula estão associados aos processos de liberação metabólica de energia contida no substrato que ocorrem no interior da célula. A energia no processo de transferência do substrato é gasta na modificação química do substrato ou do próprio transportador, a fim de eliminar ou impedir a interação do substrato com o transportador e o retorno do substrato por difusão através da membrana de volta à solução .

As visões modernas sobre os processos de remoção bioquímica e oxidação de compostos orgânicos baseiam-se em duas disposições fundamentais da teoria da cinética enzimática. A primeira posição postula que a enzima e o substrato interagem entre si, formando um complexo enzima-substrato, que, como resultado de uma ou várias transformações, leva ao aparecimento de produtos que reduzem a barreira à ativação da reação catalisada pelo enzima devido à sua fragmentação em vários estágios intermediários, cada um dos quais não encontra obstáculos energéticos para sua implementação. A segunda posição afirma que, independente da natureza dos compostos e do número de etapas durante a reação enzimática catalisada pela enzima, ao final do processo a enzima sai inalterada e é capaz de interagir com a próxima molécula do substrato. . Em outras palavras, já na fase de retirada do substrato, a célula interage com o substrato para formar uma conexão relativamente fraca chamada “complexo enzima-substrato”.

O que foi dito acima é bem ilustrado pelo exemplo da extração de glicose de uma solução por vários microrganismos contendo a enzima glicose oxidase em um ambiente com oxigênio molecular. A glicose oxidase forma um complexo enzima-substrato - glicose - oxigênio - glicose oxidase, após a quebra do qual são formados produtos intermediários - gluconolactona e peróxido de hidrogênio, conforme mostrado esquematicamente na Fig. 11.1.

A gluconolactona formada como resultado da quebra deste complexo sofre hidrólise para formar ácido glucônico.

Uma das propriedades mais importantes das enzimas é a sua capacidade de serem sintetizadas na presença e sob a influência de uma determinada substância. Outra propriedade igualmente importante é a especificidade da ação da enzima tanto em relação à reação que ela catalisa quanto em relação ao próprio substrato.

Às vezes, uma enzima é capaz de atuar em um único substrato (especificidade absoluta), mas muito mais frequentemente a enzima atua em um grupo de substratos que são semelhantes na presença de certos grupos atômicos de substratos.

Arroz. 11.1. Esquema de “reconhecimento” de um substrato por uma enzima, formação de um complexo enzima-substrato e catálise

Muitas enzimas são caracterizadas pela especificidade estereoquímica, que consiste no fato de a enzima atuar sobre um grupo de substratos (e às vezes sobre um) que se diferenciam dos demais pelo arranjo especial dos átomos no espaço. O papel de cada enzima no processo de oxidação bioquímica de substâncias orgânicas é estritamente definido: ela catalisa a oxidação (ou seja, a adição de oxigênio ou a eliminação de hidrogênio) ou a redução (ou seja, a adição de hidrogênio ou a eliminação de oxigênio) de compostos químicos bem definidos. Durante a desidrogenação, uma determinada enzima pode remover apenas certos átomos de hidrogênio que ocupam uma determinada posição espacial na molécula do substrato ou produto intermediário. O mesmo se aplica às enzimas que catalisam outros processos metabólicos.

Os processos de oxidação bioquímica em microrganismos heterotróficos são divididos em três grupos dependendo de qual é o aceptor final dos átomos de hidrogênio ou elétrons retirados do substrato oxidado. Se o aceitador for oxigênio, esse processo é chamado de respiração celular ou simplesmente respiração; se o aceitador de hidrogênio for uma substância orgânica, o processo de oxidação é denominado fermentação; finalmente, se o aceptor de hidrogênio for uma substância inorgânica como nitratos, sulfatos, etc., então o processo é chamado de respiração anaeróbica, ou simplesmente anaeróbica.

O processo mais completo é a oxidação aeróbica, pois seus produtos são substâncias que não são capazes de decomposição adicional na célula microbiana e não contêm uma reserva de energia que poderia ser liberada por reações químicas comuns. As principais dessas substâncias, como já observado, são o dióxido de carbono (CO2) e a água (H20). Embora ambas as substâncias contenham oxigênio, a via química de sua formação na célula pode ser diferente, uma vez que o dióxido de carbono pode ser produzido como resultado de processos bioquímicos que ocorrem em um ambiente livre de oxigênio sob a influência de enzimas - descarboxilases, que removem CO2 do grupo carboxila (COOH) do ácido. A água, como resultado da atividade vital da célula, é formada exclusivamente pela combinação do oxigênio do ar com o hidrogênio das substâncias orgânicas, das quais é separada no processo de sua oxidação.

A dissimilação aeróbica do substrato - carboidratos, proteínas, gorduras - é um processo de vários estágios, incluindo a decomposição inicial de uma substância complexa contendo carbono em subunidades mais simples (por exemplo, polissacarídeos - em açúcares simples; gorduras - em ácidos graxos e glicerol ; proteínas - em aminoácidos), que, por sua vez, passam por uma transformação mais consistente. Neste caso, a acessibilidade do substrato à oxidação depende significativamente da estrutura do esqueleto de carbono das moléculas (reto, ramificado, cíclico) e do grau de oxidação dos átomos de carbono. Os açúcares, especialmente as hexoses, são considerados os mais facilmente disponíveis, seguidos pelos álcoois poli-hídricos (glicerol, manitol, etc.) e ácidos carboxílicos. O caminho final geral pelo qual o metabolismo aeróbio de carboidratos, ácidos graxos e aminoácidos é completado é o ciclo do ácido tricarboxílico (ciclo TCA) ou o ciclo de Krebs, no qual essas substâncias entram em um estágio ou outro. Observa-se que em condições de metabolismo aeróbio, cerca de 90% do oxigênio consumido é utilizado no trato respiratório para produção de energia pelas células microbianas.

A fermentação é um processo de quebra incompleta de substâncias orgânicas, principalmente carboidratos, em condições sem oxigênio, que resulta na formação de diversos produtos intermediários parcialmente oxidados, como álcool, glicerina, ácidos fórmico, láctico, propiônico, butanol, acetona, metano, etc., amplamente utilizado em biotecnologia para obter produtos alvo. Até 97% do substrato orgânico pode ser convertido nesses subprodutos e metano.

A quebra anaeróbica enzimática de proteínas e aminoácidos é chamada de putrefação.

Devido à baixa produção de energia durante o tipo de metabolismo fermentativo, as células microbianas que o realizam devem consumir uma quantidade maior de substrato (em menor profundidade de sua decomposição) do que as células que recebem energia através da respiração, o que explica o crescimento mais eficiente. de células em condições aeróbicas em comparação com condições anaeróbicas.

A célula recebe a maior quantidade de energia para seu funcionamento como resultado da oxidação do hidrogênio pelo oxigênio, que é decomposto do substrato oxidado pela ação das enzimas desidrogenases, que, de acordo com sua ação química, se dividem em nicotinamida (NAD ) e flavina (FAD). As nicotinamida desidrogenases são as primeiras a reagir com o substrato, removendo dele dois átomos de hidrogênio e adicionando-os à coenzima. Como resultado desta reação, o substrato é oxidado e o NAD é reduzido a NAD'H2. Em seguida, o FAD reage, transferindo hidrogênio da coenzima nicotinamida para a coenzima flavina, como resultado do qual NAD'H2 é novamente oxidado em NAD, e a coenzima flavina é reduzida a FADH2. Além disso, através de um grupo extremamente importante de enzimas redox - citocromos - o hidrogênio é transferido para o oxigênio molecular, que completa o processo de oxidação com a formação do produto final - a água.

Nesta reação, a maior parte da energia contida no substrato é liberada. Todo o processo de oxidação aeróbica pode ser representado pelo diagrama da Fig. 11.2.

A energia liberada durante a oxidação microbiana de uma substância é acumulada pela célula com a ajuda de compostos de alta energia. O armazenamento universal de energia nas células vivas é o ácido adenosina trifosfórico - ATP (embora existam outras macroenergias).

Esta reação de fosforilação, como pode ser visto em (11.9), requer energia, cuja fonte neste caso é a oxidação. Portanto, a fosforilação do ADP está intimamente associada à oxidação, e esse processo é denominado fosforilação oxidativa. No processo de fosforilação oxidativa, durante a oxidação de, por exemplo, uma molécula de glicose, formam-se 38 moléculas de ATP, enquanto na fase de glicólise, apenas 2. Deve-se notar que a fase de glicólise prossegue exatamente da mesma forma. em condições aeróbicas e anaeróbicas, ou seja, antes da formação do ácido pirúvico (PVA), e 2 em cada 4 moléculas de ATP formadas são gastas em sua ocorrência.

Os caminhos para a transformação adicional do PVC em condições aeróbicas e anaeróbicas divergem.

A transformação aeróbica da glicose pode ser representada pelo seguinte esquema:
1. Glicólise: SbH12Ob + 2FA-+2PVK + 2NADH2 + 4ATP (11.10)
2. Transformação de ácido pirúvico (PVA): 2PVA-*2C02 + 2 Acetil CoA + 2NADH2
3. Ciclo do ácido tricarboxílico (ciclo de Krebs): Acetil CoA -> 4C02 + 6NADH2 + 2FADH2 + 2ATP (11.12) ECbH12Ob -> 6C02 + 10NADH2 + 2FADH2 + 4ATP (11.13) onde FAD é uma flavoproteína.

A oxidação do NADH2 no sistema de transporte de elétrons produz ZATP em
1 mol; a oxidação de 2FADH2 produz 4ATP,
então: SbN1206 + 602 -> 6C02 + 6H20 + 38ATP

Nas condições de transformação anaeróbica dos carboidratos, o primeiro passo é a fosforilação da glicose, realizada com o auxílio do ATP sob a influência da enzima hexoquinase, ou seja,
Glicose + A TF-hexoquinase > glicose _ b – fosfato + ADP
Após a conclusão da etapa de glicólise e a formação do PVC, o curso da transformação posterior do PVC depende do tipo de fermentação e do seu agente causador. Os principais tipos de fermentação: alcoólica, ácido láctico, ácido propiônico, ácido butírico, metano.

A fosforilação oxidativa também pode ocorrer sob a influência de uma enzima que sintetiza ATP no nível do substrato. No entanto, esta formação de ligações de alta energia é muito limitada e, na presença de oxigénio, as células sintetizam a maior parte do ATP que contêm através do sistema de transporte de eletrões.

O acúmulo de uma substância liberada durante o processo de dissimilação em condições aeróbicas ou anaeróbicas com o auxílio de compostos de alta energia (e principalmente ATP) permite eliminar a discrepância entre a uniformidade dos processos de liberação de energia química do substrato e a desigualdade dos processos do seu consumo, inevitável nas condições reais de existência de uma célula.

De forma simplificada, todo o processo de decomposição das substâncias orgânicas durante as transformações aeróbicas pode ser representado pelo diagrama mostrado na Fig. 11.3. O diagrama das transformações anaeróbicas do PVC após a etapa de glicólise é apresentado na Fig. 11.4.

A pesquisa estabeleceu que muitas vezes o tipo de metabolismo depende não tanto da presença de oxigênio no ambiente, mas da concentração do substrato.

Isso indica que, dependendo das condições específicas de operação da biomassa no ambiente, podem ocorrer simultaneamente processos aeróbios e anaeróbios de transformação de compostos orgânicos, cuja intensidade dependerá também da concentração do substrato e do oxigênio.

Deve-se notar aqui que na biotecnologia industrial, culturas puras são utilizadas para obter diversos produtos de origem microbiana (ração ou fermento de padeiro, diversos ácidos orgânicos, álcoois, vitaminas, medicamentos), ou seja, Muitas vezes são selecionados microrganismos de um tipo, com estrita manutenção da composição de espécies, condições nutricionais adequadas, temperatura, reação ativa do ambiente, etc., excluindo o aparecimento e desenvolvimento de outros tipos de microrganismos, o que poderia levar a um desvio no qualidade do produto resultante dentro dos padrões estabelecidos.

No tratamento de águas residuais contendo uma mistura de contaminantes de diversas composições químicas, por vezes até muito difíceis de identificar por métodos analíticos, a biomassa que realiza a purificação é também uma mistura, ou melhor, uma comunidade de diferentes tipos de microrganismos e protozoários com relacionamentos complexos entre eles. Tanto as espécies como a composição quantitativa da biomassa das estações de tratamento de águas residuais dependerão do método específico de tratamento biológico e das condições da sua implementação.

Segundo cálculos de alguns especialistas, quando a concentração de poluentes orgânicos dissolvidos, avaliada pelo indicador BPKP0Ln, é de até 1000 mg/l, o uso de métodos de limpeza aeróbica é mais benéfico. Em concentrações de BPKPOLn de 1.000 a 5.000 mg/l, os indicadores econômicos dos métodos aeróbicos e anaeróbicos serão quase os mesmos. Em concentrações superiores a 5000 mg/l, seria mais apropriado utilizar métodos anaeróbios. Porém, é necessário levar em consideração não só a concentração de poluentes, mas também o consumo de águas residuais, bem como o fato de que os métodos anaeróbios levam à formação de produtos finais como metano, amônia, sulfeto de hidrogênio, etc. não permitem obter a qualidade da água purificada, comparável à qualidade da limpeza por métodos aeróbicos. Portanto, em altas concentrações de contaminantes, uma combinação de métodos anaeróbicos é usada no primeiro estágio (ou primeiros estágios) de purificação e métodos aeróbios no último estágio de purificação. Deve-se enfatizar que as águas residuais domésticas e municipais, ao contrário das águas residuais industriais, não contêm concentrações de contaminantes que justifiquem a utilização de métodos anaeróbios e, portanto, estes métodos de tratamento não são discutidos neste capítulo.

Arroz. 11.3. Diagrama simplificado da quebra de moléculas de nutrientes em três etapas (B. Alberte et al. 1986)

Arroz. 11.4. Conversão de ácido pirúvico por microrganismos anaeróbios em vários produtos