Біохімічні технології очищення стічних вод. Біохімічне очищення стічних вод

  • Методи очищення стічних вод та екологічно чисті технології водовідведення (Документ)
  • Соколов М.П. Очищення стічних вод. Навчальний посібник (Документ)
  • Методи очищення стічних вод
  • Круппо М.В. Визначення необхідного ступеня очищення стічних вод
  • Біологічні методи очищення стічних вод.
  • Шпаргалки - Відповіді до іспиту з техніки захисту довкілля. Очищення стічних вод. Утилізація опадів стічних вод (Шпаргалка)
  • Шифрін С.М., Іванов Г.В., Мішуков Б.Г., Феофанов Ю.А. Очищення стічних вод підприємств м'ясної та молочної промисловості (Документ)

    • n1.doc


    1. Біохімічні методи очищення стічних вод. Сутність методу.

    2. Закономірності розпаду органічних речовин

    5

    3. Вплив різних факторів на процес біохімічного очищення

    4. Класифікація біохімічних методів

    8

    4.1. Аеробні методи очищення

    9

    4.2. Анаеробні методи очищення

    15

    Список літератури

    17

    1. Біохімічні методи очищення стічних вод. Сутність методу.

    Біологічне окислення – широко застосовуваний практично метод очищення стічних вод, що дозволяє видалити їх багато органічні і деякі неорганічні (сірководень, сульфіди, аміак, нітрити та інших.) речовини. Біохімічне очищення стічних вод засноване на здатності мікроорганізмів використовувати розчинені та колоїдні органічні забруднення як джерело живлення у процесах своєї життєдіяльності. Біологічним шляхом обробляються, зазнаючи часткової чи повної деструкції, багато видів органічних забруднень міських та виробничих стічних вод. Контактируя з органічними речовинами, мікроорганізми частково руйнують їх, перетворюючи на воду, діоксид вуглецю, нітрит-і сульфат-іони та інших. Інша частина речовини йде освіту біомаси. Деякі органічні речовини здатні легко окислюватися, а деякі не окислюються зовсім чи дуже повільно.

    Широке використання біохімічного методу обумовлено його перевагами: можливістю видаляти зі стічних вод різноманітні органічні та деякі неорганічні сполуки, що знаходяться у воді у розчиненому, колоїдному та нерозчиненому стані, у тому числі токсичні; простотою апаратурного оформлення відносно невисокими експлуатаційними витратами, глибиною очищення. До недоліків слід віднести високі капітальні витрати, необхідність суворого дотримання режиму очищення, токсична дія на мікроорганізми ряду органічних та неорганічних сполук, необхідність розведення стічних вод у разі високої концентрації домішок.

    Для визначення можливості подачі промислових стічних вод на біохімічні очисні споруди встановлюють максимальні концентрації токсичних речовин, які не впливають на процеси біохімічного окиснення (МК б) та на роботу очисних споруд (МК бос). За відсутності таких даних можливість біохімічного окиснення встановлюється за біохімічним показником БПК/ХПК. Для побутових стічних вод це ставлення становить приблизно 0,86, а виробничих змінюється у дуже широких межах: від 0 до 0,9. Стічні води з низьким ставленням БПК п/ГПК, зазвичай, містять токсичні домішки, попереднє вилучення яких може підвищити це, тобто. забезпечити можливість біохімічного окиснення. Тому стічні води не повинні містити отруйних речовин та домішок солей важких металів. Біохімічне очищення вважають повним, якщо БПК п очищеної води становить менше 20 мг/л і неповним, якщо БПК п > 20 мг/л. Таке визначення умовне, тому що навіть при повному біохімічному очищенні відбувається лише часткове звільнення води від суми домішок, що знаходяться в ній.

    Біологічне окислення здійснюється спільнотою мікроорганізмів (біоценозом), що включає безліч різних бактерій, найпростіших, а також водоростей, грибів і т.д., пов'язаних між собою в єдиний комплекс складними взаємовідносинами (метабіозу, симбіозу та антагонізму). Чільну роль у цьому співтоваристві належить бактеріям, кількість яких варіюється від 10 6 до 10 14 клітин на 1 г сухої біомаси. У процесі біохімічного окислення за аеробних умов співтовариство мікроорганізмів зветься активного мулу або біоплівки. Активний мул складається з живих мікроорганізмів і твердого субстрату і на вигляд нагадує пластівці коагулянту з кольором від біло-коричневого до темно-коричневого. Скупчення бактерій в активному мулі оточені слизовим шаром (капсулами) і називаються зооглеями. Вони сприяють поліпшенню структури мулу, його осадженню та ущільненню.

    Активний мул являє собою амфотерний колоїд, що має в інтервалі значень рН=4-9 негативний заряд, і має велику адсорбційну здатність за рахунок розвиненої сумарної поверхні бактеріальних клітин. Адсорбційна здатність активного мулу з часом знижується через насичення забруднення стічної води. Процес відновлення відбувається за рахунок життєдіяльності мікроорганізмів, що заселяють активний мул, і називається регенерацією. Незважаючи на істотні відмінності стічних вод, що очищаються, елементарний хімічний склад активних мулів досить близький, хоча і неідентичний. Ця схожість є результатом спільності його основи - бактеріальних клітин. До складу клітин входять Н, N, S, С, Про, Р, зола, білок, а також різні мікроелементи - В, V, Fe, Co, Мn, Мо, Сu та ін Н, N, С і Про утворюють групу органогенних речовин, ці елементи входять до бактеріальних клітин у вигляді води, білків, жирів та вуглеводів; 80-85% ваги бактерій становить вода.

    Суха речовина активного мулу являє собою комплекс мінеральних (10-30%) та органічних (70-90%) речовин. Основну масу органічних сполук становлять білки. До складу зольних частин клітин входять мікроелементи - Са, К, Mg, S, Мn, Сu, Na, Fe, Zn та ін. Крім того, для побудови бактеріальної клітини необхідні біогенні елементи - фосфор, азот, калій. Якість мулу визначається швидкістю його осадження та ступенем очищення води. Стан мулу характеризує муловий індекс, що являє собою відношення об'єму частини активного мулу, що осаджується, до маси висушеного осаду (у грамах) після відстоювання протягом 30 хвилин. Чим більший муловий індекс, тим гірше осідає мул.

    2.Закономірності розпаду органічних речовин

    Механізм вилучення речовин із стічних вод та їх споживання мікроорганізмами дуже складний. Загалом цей процес може бути умовно поділений на три стадії:

    1) масопередача речовини з рідини до поверхні клітини, за рахунок молекулярної та конвективної дифузії;

    2) дифузія речовини через напівпроникну мембрану поверхні клітини, що виникає внаслідок різниці концентрацій речовини в клітині та поза нею;

    3) процес перетворення речовини (метаболізм), що протікає всередині клітини, з виділенням енергії та синтезом нової клітинної речовини.

    Швидкість протікання першої стадії визначається законами дифузії та гідродинамічними умовами у спорудженні біохімічного очищення. Турбулентність потоку викликає розпад пластівців активного мулу на дрібні колонії мікробів і призводить до швидкого оновлення поверхні поділу між мікроорганізмами та середовищем.

    Процес перенесення речовини через напівпроникні мембрани клітин може бути здійснений двома шляхами: розчиненням дифузної речовини в матеріалі мембрани, завдяки чому вона проходить всередину клітини або приєднанням проникаючої речовини до специфічного білка-переносника, розчиненням утворюється комплексу і дифузією його всередину клітини, де комплекс розпадається -переносник вивільняється скоєння нового циклу.

    Основну роль в очищенні стічних вод відіграють процеси перетворення речовини всередині клітин мікроорганізмів, внаслідок чого відбувається окислення речовини з виділенням енергії (катаболічні перетворення) та синтез нових білкових речовин, що протікає із витратою енергії (анаболічні перетворення).

    Швидкість хімічних перетворень та їх послідовність визначають ферменти, що виконують роль каталізаторів і є складними білковими сполуками з молекулярною масою до сотень тисяч і мільйонів. Їхня активність залежить від температури, рН та присутності в стічній воді різних речовин.

    Сумарні реакції біохімічного окиснення в аеробних умовах можна подати у такому вигляді:

    Окислення органічної речовини

    C x H y Oz (х + 0,25у - 0,5z)O2? хС0 2 + 0,5уН 2 Про +? Н;

    Синтез бактеріальних клітин

    C x H y O z + nNH 3 + n(x + 0,25у - 0,5z - 5) 0 2? n(C 5 H 7 N0 2) + n(x-5)C0 2 + 0,5n(y-4)H 2 O -?

    Окислення клітинного матеріалу

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

    Хімічні перетворення є джерелом необхідної мікроорганізмів енергії. Живі організми здатні використовувати лише пов'язану хімічну енергію. Універсальним переносником енергії у клітині є аденозинтрифосфорна кислота (АТФ).

    Мікроорганізми здатні окислювати багато органічних речовин, але для цього потрібен різний час адаптації. Легко окислюються багато спиртів, гліколі, бензойна кислота, ацетон, гліцерин, складні ефіри та ін. Погано окислюються нітросполуки, деякі ПАР і хлорпохідні органічні сполуки.

    У процесі аеробного окиснення споживається кисень, розчинений у стічній воді. Для насичення стічної води киснем проводять процес аерації, розбиваючи повітряний потік на бульбашки, які по можливості рівномірно розподіляються в стічній воді. З бульбашок повітря кисень абсорбується водою, а потім переноситься до мікроорганізмів. Цей процес відбувається у два етапи. На першому йде перенесення кисню з повітряних бульбашок в основну масу рідини, на другому - перенесення абсорбованого кисню з основної маси рідини до клітин мікроорганізмів, в основному під дією турбулентних пульсацій.

    Найбільш надійний спосіб збільшення подачі кисню в стічні води - підвищення інтенсивності дроблення газового потоку, тобто. зменшення розмірів газових бульбашок. Швидкість споживання кисню залежить від багатьох взаємопов'язаних факторів: величини біомаси, швидкості росту та фізіологічної активності мікроорганізмів, виду та концентрації поживних речовин, накопичення токсичних продуктів обміну, кількості та природи біогенних елементів, вмісту кисню у воді.
    3. Вплив різних факторів на процес біохімічного очищення

    Ефективність біологічного очищення залежить від цілого ряду факторів, одні з яких піддаються зміні і регулюванню в широких діапазонах, регулювання інших, таких, як наприклад, склад стічних вод, що надходять на очищення, практично виключено. До основних факторів, що визначають пропускну здатність системи та ступінь очищення стічної води, відносяться: наявність кисню у воді, рівномірність надходження стічної води та концентрація в ній домішок, температура, рН середовища, перемішування, присутність токсичних домішок та біогенних елементів, концентрація біомаси та ін.

    Найбільш сприятливі умови очищення полягають у наступному. Концентрація в стічних водах, що очищаються, біохімічно окислюваних речовин не повинна перевищувати допустиму величину МК б або МК бос, яка встановлюється зазвичай дослідним шляхом. Стічні води з більш високою концентрацією необхідно розбавляти. ГДК речовин під час вступу на споруди біологічного очищення наведено у довідковій літературі.

    Постачання споруд біохімічного очищення киснем повітря повинно бути безперервним і в такій кількості, щоб у очищеній стічній воді, що виходить із вторинного відстійника, його було не менше 2 мг/л. Швидкість розчинення кисню у воді не повинна бути нижчою за швидкість його споживання мікроорганізмами. У початковий період окиснення швидкість споживання кисню може у десятки разів перевищувати її наприкінці процесу, вона залежить від характеру забруднення води та пропорційна кількості біомаси.

    Оптимальною температурою для аеробних процесів, що відбуваються в очисних спорудах, вважається 20-30 ° С, хоча температурний оптимум бактерій різних груп варіюється в широких межах, від -8 до +85 °С. Підвищення температури межі фізіологічної норми мікроорганізмів призводить до їх загибелі, а зниження лише знижує активність мікроорганізмів. З підвищенням температури зменшується розчинність кисню у воді, тому в теплу пору року треба проводити більш інтенсивну аерацію, а в зимову – підтримувати більш високу концентрацію мікроорганізмів у циркулюючому мулі та збільшувати тривалість аерації.

    Оптимальною реакцією середовища для значної частини бактерій є нейтральна або близька до неї, хоча є види, що добре розвиваються в кислому (гриби, дріжджі) або слаболужному середовищі (актиноміцети).

    Для нормального процесу синтезу клітинної речовини, а отже, і для ефективного процесу очищення стічних вод має бути достатня концентрація всіх елементів живлення – органічного вуглецю (БПК), азоту, фосфору.

    Крім основних елементів клітини (З, Про, N, Н) на її побудови необхідні у незначних кількостях та інші компоненти - мікроелементи (Mn, Cu, Zn, Mo, Mg, Co та інших.). Зміст зазначених елементів у природних водах, у тому числі утворюються стічні води, зазвичай досить біохімічного окислення. Недолік азоту гальмує окислення органічних забруднень і призводить до утворення важко осідає мулу. Недолік фосфору ініціює розвиток нитчастих бактерій, що є основною причиною спухання активного мулу, поганого осідання та винесення його з очисних споруд, уповільнення росту мулу та зниження інтенсивності окислення. Біогенні елементи найкраще засвоюються у формі сполук, в якій вони знаходяться в мікробних клітинах: азот - у формі NH 4 а фосфор - у вигляді солей у фосфорних кислотах. При нестачі азоту, фосфору, калію в стічні води вносять різні азотні, калійні і фосфорні добрива. Ці елементи містяться в побутових стічних водах, тому багато хімічних речовин можуть надавати на мікроорганізми токсичну дію, що порушує їх життєдіяльність. Такі речовини, потрапляючи в бактеріальну клітину, взаємодіють з її компонентами і порушують їх функції, серед них: S в, Ag, Cu, Co, Hg, Рв та ін. 150 мг/л для аеротенків.

    Інтенсивність і ефективність очищення стічних вод залежать лише від умов проживання мікроорганізмів, а й від кількості, тобто. дози активного мулу, що підтримується в аеротенках зазвичай дорівнює 2-4 г/л. Підвищення концентрації мікроорганізмів у стічній воді дозволяє прискорити процес біологічного очищення, але при цьому одночасно необхідно збільшувати кількість розчиненого у воді кисню, що обмежено станом насичення, та покращувати умови масообміну. При біологічному очищенні необхідно застосовувати "молодий" активний мул з віком 2-3 діб. Він не спухає, витриваліший до коливань температури, рН середовища, дрібні пластівці його краще осідають. Важливою умовою поліпшення біологічної очистки та зменшення обсягу очисних споруд є регенерація активного мулу, що полягає в його аерації за відсутності живильного субстрату.

    Для створення найбільш сприятливих умов масопередачі поживних речовин та кисню до поверхні мікробних клітин необхідно перемішування стічної води та активного мулу. При цьому турбулізація рідини призводить до руйнування пластівців активного мулу, оновлення їх поверхні, кращого постачання клітин поживними речовинами і киснем, створює більш сприятливі умови проживання мікроорганізмів.
    4. Класифікація біохімічних методів

    Відомі аеробні та анаеробні методи біохімічного очищення. Аеробні методи засновані на використанні аеробних груп мікроорганізмів, для життєдіяльності яких необхідний постійний приплив кисню та температура 20-40 °С. При зміні температурного та кисневого режимів склад та кількість мікроорганізмів змінюється, вони культивуються в активному мулі або біоплівці. Анаеробні методи протікають без доступу кисню, їх використовують головним чином обробки опадів. Усю сукупність споруд біологічної очистки можна розділити на три групи за ознакою розташування в них активної біомаси:

    1) активна біомаса закріплена на нерухомому матеріалі, а стічна вода тонким шаром ковзає за завантаженням - біофільтри;

    2) активна біомаса знаходиться у воді у вільному (зваженому) стані – аеротенки, циркуляційні окисні канали, окситенки;

    3) поєднання обох варіантів розташування біомаси - занурювальні біофільтри, біотенки, аеротенки із заповнювачами.

    Біологічна очистка може також здійснюватися в природних умовах на спорудах ґрунтового очищення та в біологічних ставках.
    4.1. Аеробні методи очищення.

    Очищення на полях зрошення, полях фільтрації та біологічних ставках - відрізняють порівняно низькі будівельні та експлуатаційні витрати, буферна здатність при залпових скиданнях стічних вод, коливаннях рН, температури, достатній рівень вилучення з води біогенних елементів. До недоліків відноситься сезонність роботи, низька швидкість окислення забруднень. Поля зрошення та поля фільтрації відносяться до ґрунтових методів очищення.

    Поля зрошенняє сільськогосподарськими угіддями, спеціально призначеними для очищення стічних вод та одночасного вирощування рослин. На полях фільтрації очищення проводиться без участі рослин. Очищення стічних вод на полях зрошення засноване на вплив грунтової мікрофлори, кисню повітря, сонця та життєдіяльності рослин. В очищенні стічних вод в тій чи іншій мірі бере участь активний шар ґрунту товщиною 1,5-2 м. Мінералізація органічної речовини відбувається в основному верхньому півметровому шарі ґрунту. При цьому підвищується родючість ґрунту, що пов'язано зі збагаченням ґрунту нітратами, фосфором та калієм. Однак загальний сольовий склад стоків не повинен перевищувати 4-6 г/л для запобігання засоленню ґрунту. Стічні води подаються на зрошення періодично з інтервалом 5 днів. У зимовий період для місцевостей з холодною зимою на них проводиться наморожування стічних вод. Для збору стічної води, що використовується на полях зрошення, служать ставки-накопичувачі місткістю, що дорівнює шестимісячному накопиченню в них води.

    Біологічні ставки- штучно створені або природні водоймища, в яких очищення стічних вод відбувається під впливом природних процесів самоочищення. Вони можуть застосовуватися як для самостійного очищення, так і для глибокого доочищення стічних вод, що пройшли біологічне очищення. Є неглибокими водоймами (0,5-1 м), добре прогріваються сонцем і заселені водними організмами.

    У процесах, які у біопрудах, спостерігається повний природний цикл руйнації органічних забруднень. Вплив працювати ставків різних чинників може створювати у яких як аеробні, і аеробно-анаеробні умови. Ставки, що працюють у аеробних умовах, називаються аэрируемыми, а ставки з змінними умовами - факультативними.

    Аеробні умови в ставках можуть підтримуватись або за рахунок природного надходження кисню з атмосфери та фотосинтезу, або за рахунок примусової подачі повітря у воду. Тому розрізняють ставки з природною та штучною аерацією. Час перебування води у ставках із природною аерацією становить від 7 до 60 діб. Разом із стічними водами із вторинних відстійників виноситься активний мул, який є посівним матеріалом. Ефективність очищення в ставках визначається часом року, у холодний період вона різко знижується.

    Ставки зі штучною аерацією мають значно менший об'єм і необхідний ступінь очищення в них досягається за 1-3 доби.

    Біофільтри - Штучні споруди біологічної очистки - являють собою круглі або прямокутні в плані споруди з цегли або залізобетону, завантажені матеріалом, що фільтрує, на поверхні якого розвивається біоплівка. Стічна вода фільтрується через шар завантаження, покритої плівкою з мікроорганізмів, за рахунок життєдіяльності яких здійснюється очищення. Відпрацьована (омертвіла) біоплівка змивається стічної водою, що протікає, і виноситься з біофільтра.

    За типом завантажувального матеріалу біофільтри поділяються на дві категорії: з об'ємним (зернистим) і плоским завантаженням. Як зернисте завантаження використовують щебінь, гравій, гальку, шлак, керамзит, керамічні та пластмасові кільця, куби, кулі, циліндри тощо. Плоске завантаження - це металеві, тканинні та пластмасові сітки, грати, блоки, гофровані листи, плівки тощо, нерідко згорнуті в рулони.

    Біофільтри з об'ємним завантаженням поділяються на крапельні, високонавантажувані, баштові. Крапельні біофільтри найбільш прості за конструкцією, завантажуються матеріалом дрібних фракцій висотою 1-2 м і мають продуктивність до 1000 м 3 /добу, на них досягається високий ступінь очищення. У високонавантажуваних фільтрах застосовується більший розмір шматків завантаження, а її висота становить 2-4 м. Висота завантаження в баштових фільтрах досягає 8-16 м. Два останні види фільтрів застосовуються при витратах стічних вод до 50 тис.м 3 /сут як для повної, так і неповного біологічного очищення.

    Біологічні фільтри з плоским завантаженням мають значно більшу окислювальну здатність, ніж фільтри з об'ємним завантаженням. Окислювальна здатність - це швидкість розчинення кисню в процесі аерації повністю знекисненої води при атмосферному тиску і температурі 20 ° С (г О 2 /год)); до неї близьке поняття окислювальної потужності - швидкості реакцій окислення забруднень (р 2 /(м 3 год)).

    Проміжне положення між аеротенками та біофільтрами займають занурювальні біофільтри та біотенки-біофільтри.

    Занурювальні (дискові) біофільтри являють собою резервуар, в якому є вал, що обертається, з насадженими на нього дисками, що поперемінно контактують зі стічною водою і повітрям. Розмір дисків 0,5-3 м, відстань між ними 10-20 мм, вони можуть бути металевими, пластмасовими та азбестоцементними, кількість дисків на валу від 20 до 200 . Біотенк-біофільтр є корпусом, в якому укладені лоткові елементи завантаження, розташовані в шаховому порядку. Ці елементи зрошуються зверху водою, яка, наповнюючи їх, стікає через краї вниз. На зовнішніх поверхнях елементів утворюється біоплівка, усередині – біомаса, що нагадує активний мул. Конструкція забезпечує високу продуктивність та ефективність очищення.

    За принципом надходження повітря в товщу завантаження, що аерується, біофільтри можуть бути з природною і примусовою аерацією.

    У пусковий період біологічних фільтрів на шматках завантаження вирощується біологічна плівка. Основним агентом цієї плівки є мікробне населення. Мікроорганізми біоплівки використовують органічні домішки стічних вод як джерела живлення та дихання, при цьому маса біоплівки збільшується. У міру збільшення товщини плівки відбувається її відмирання і змив стічної водою, що протікає. Очищена в біофільтрі вода разом із частинками відмерлої біоплівки надходить у вторинний відстійник. Рециркуляцію біологічно активного матеріалу зазвичай не передбачають, що обумовлено високою здатністю утримувати споруди маси біоплівки.

    При надходженні стічних вод з БПКп > 300 мг/л, щоб уникнути частого замулювання поверхні біофільтра передбачається рециркуляція - повернення частини очищеної води для розведення вихідної стічної води. Рециркуляція очищеної води збільшує вміст розчиненого кисню в суміші, підтримується рівномірніше гідравлічне навантаження, вирівнюється концентрація біоплівки по висоті споруди. Однак при цьому зростає потреба в обсягах відстійників, збільшується витрата енергії на перекачування води.

    Розподіл стічних вод по поверхні біофільтра проводиться стаціонарними розбризкуючими зрошувачами (спринклерами) або реактивними зрошувачами, що обертаються, з циклічною подачею води протягом 5-10 хвилин.

    Застосування біофільтрів обмежується можливістю їх замулювання, зниженням окисної потужності в процесі експлуатації, появою неприємних запахів, складністю рівномірного нарощування плівки.

    Очищення в аеротенках.Аеробне біологічне очищення великих обсягів стічних вод здійснюється в аеротенках - залізобетонних спорудах, що аеруються, з вільно плаваючим в обсязі оброблюваної води активним мулом, біонаселення якого використовує забруднення стічних вод для своєї життєдіяльності.

    Аеротенки можна класифікувати за такими ознаками:

    1) за структурою потоку - аеротенки-витіснювачі, аеротенки-змішувачі та аеротенки з розосередженим впуском стічної рідини (проміжного типу);

    2) за способом регенерації активного мулу - аеротенки з окремо стоять або суміщеними регенераторами мулу;

    3) по навантаженню на активний мул - високонавантажувані (для неповного очищення), звичайні та низьконавантажувані (з продовженою аерацією);

    4) за кількістю ступенів - одно-, дво-і багатоступінчасті;

    5) за режимом введення стічних вод - проточні, напівпроточні, зі змінним робочим рівнем, контактні;

    6) за типом аерації - з пневматичною, механічною, комбінованою гідродинамічною або пневмомеханічною;

    7) за конструктивними ознаками - прямокутні, круглі, комбіновані, шахтні, фільтротенки, флототенки та ін.

    Аеротенки використовуються в надзвичайно широкому діапазоні витрат стічних вод від кількох сотень до мільйонів кубометрів на добу.

    В аеротенках-змішувачах навантаження на мул і швидкість окислення забруднень практично незмінні за довжиною споруди. Вони найбільш придатні для очищення концентрованих (БПКп до 1000 мг/л) виробничих стічних вод за значних коливань їх витрати та концентрації забруднень. У аеротенках-вытеснителяхнавантаження забруднень на мул і їх окислення змінюються від найбільших значень початку споруди до найменших у його кінці. Такі споруди застосовують у тому випадку, якщо забезпечується досить легка адаптація активного мулу. В аеротенках з розосередженою подачею води за його довжиною поодинокі навантаження на мул зменшуються і стають рівномірними. Такі споруди використовуються для очищення сумішей промислових та міських стічних вод. Робота аеротенку нерозривно пов'язана з нормальною роботою вторинного відстійника, з якого зворотний активний мул безперервно перекачується в аеротенк. Замість вторинного відстійника для відокремлення мулу від води може бути використаний флотатор.

    В одноступінчастій схемі без регенератора не можна інтенсифікувати процес очищення стоків. За наявності регенератора в ньому закінчуються процеси окислення і мул набуває початкових властивостей. Одноступінчасті схеми без регенерації мулу застосовують при БПКп 150 мг/л. Двоступінчаста схема використовується при високій вихідній концентрації органічних забруднень у воді, а також за наявності у воді речовин, швидкість окислення яких різко відрізняється. На першому ступені очищення БПКп стічних вод знижується на 50-70%.

    Для забезпечення нормального перебігу процесу біологічного окислення в аеротенк необхідно безперервно подавати повітря. Система аерації являє собою комплекс споруд та спеціального обладнання, що забезпечує постачання рідини киснем, підтримання мулу у зваженому стані та постійне перемішування стічної води з мулом. Для більшості типів аеротенків система аерації забезпечує одночасне виконання цих функцій. За способом диспергування повітря у воді практично застосовуються такі системи аерації: пневматична, механічна, пневмомеханічна і струминна. У нашій країні більшого поширення набула пневматична система аерації.

    Сучасний аеротенк - це гнучка в технологічному відношенні споруда, що є залізобетонним резервуаром коридорного типу, обладнаний аераційною системою. Робочу глибину аеротенків приймають від 3 до 6 м, відношення ширини коридору до робочої глибини від 1:1 до 2:1. Для аеротенків та регенераторів кількість секцій має бути не менше двох; при продуктивності до 50 тис.м 3 /сут призначається 4-6 секцій, за більшої продуктивності 8-10 секцій, всі вони робітники. Кожна секція складається з 2-4 коридорів.

    Аеротенки-вытеснители- довгі коридорні споруди, у яких вода і активний мул подаються початку споруди, а мулова суміш відводиться наприкінці його. При цьому практично не відбувається перемішування води, що надходить з раніше надійшла. Такі аеротенки складаються з кількох коридорів і можуть бути з вбудованим регенератором без нього. Довжина таких аеротенків досягає 50-150 м та об'єм від 1,5 до 30 тис.м 3 . У великій мірі режиму витіснення відповідають конструкції аеротенків пористого типу. Вони є прямокутними в плані споруди, розділеними на ряд відсіків поперечними перегородками. Суміш з першого відсіку надходить у другий (знизу), з другого до третього переливається через перегородку (згори) і т.д. У кожному осередку встановлюється режим повного змішування, а сума ряду послідовно розташованих змішувачів становить практично ідеальний витіснювач. При цьому запобігає зворотному руху води, відсутнє поздовжнє перемішування.

    Стічна вода та мул в аеротенках-змішувачах підводиться і відводиться рівномірно вздовж довгих сторін споруди. Вважається, що суміш, що надходить дуже швидко (в розрахунках миттєво) змішується зі вмістом всього аеротенка. Це дозволяє рівномірно розподіляти органічні забруднення та розчинений кисень та забезпечувати роботу споруди за постійних умов та високих навантажень. Ширина коридору аеротенку-змішувача становить 3-9 м, число коридорів 2-4, довжина до 150 м.

    У порівнянні з аеротенками-витіснювачами в аеротенках-змішувачах висока залишкова концентрація домішок у очищеній воді. Тому їх доцільно застосовувати для очищення концентрованих стічних вод на першому ступені, а аеротенки-витіснювачі - на другому ступені.

    Аеротенки- змішувачі можуть бути зблоковані з вторинними відстійниками та виконані окремо від них. Аеротенки-відстійники (аероакселатори) компактні, дозволяють збільшити рециркуляцію мулової суміші без застосування спеціальних насосних станцій, покращити кисневий режим відстійника і підвищити дозу мулу до 3-5 г/л, відповідно збільшивши окисну потужність.

    Аеротенки проміжного типу поєднують елементи аеротенків-витіснювачів і аеротенків-змішувачів. До них відносяться аеротенки з розосередженою подачею води та зосередженою подачею активного мулу, а також каскад аеротенків-змішувачів. Вони створюються умови вищої середньої концентрації активного мулу, ніж у аеротенках-вытеснителях, і забезпечується вищу якість очищення, ніж у аеротенках-змесителях. Виконуються вони у вигляді двох-або чотирикоридорних споруд. Капітальні витрати на будівництво таких аеротенків знижуються не менше ніж на 15% порівняно з розглянутими вище, при цьому зберігається висока якість очищення.

    Окситенки призначені для біохімічного очищення стічних вод, де замість повітря застосовується технічний кисень. Завдяки цьому створюються умови підвищення дози активного мулу (до 6-10 г/л), знижуються енерговитрати на аерацію, збільшується окисна потужність (в 5-10 разів вище, ніж в аеротенків), ефективність використання кисню становить 90-95 %.

    Типові схеми біохімічного очищення включають, як правило, цілу низку установок по усередненню стоків, їх механічного очищення, власне спорудження біологічного очищення, пристрої для приготування та дозування реагентів, доочищення стічних вод та обробки опадів. Схеми можуть бути одноступінчастими та багатоступінчастими. За наведеною схемою здійснюється спільне очищення промислових та побутових стічних вод. При такій очистці процес протікає стійкіше і повніше, т.к. побутові стоки містять біогенні елементи, а також розбавляють стічні води. Стічні води, попередньо очищені на спорудах механічного очищення, направляються на біологічне очищення в аеротенках з регенераторами. Виділений у вторинних відстійниках активний мул ділиться на два потоки: циркулюючий за допомогою насосної станції перекачується в регенератор, а потім в аеротенк, надлишковий надходить на освітлення первинні відстійники. Очищена вода хлорується і прямує у водойму або повертається у виробництво. Виділений осад обробляється в метантенках і зневоднюється на мулових майданчиках, газ, що виділяється при зброджуванні, йде на спалювання в котельню.
    4.2. Анаеробні методи очищення.

    Для знешкодження опадів стічних вод та попередньої очистки концентрованих стічних вод може використовуватися процес анаеробного зброджування. Залежно від кінцевого виду продукту розрізняють такі види бродіння: спиртове, пропіоново-кисле, молочнокисле, метанове та ін.

    Для очищення стічних вод використовують метанове бродіння. Процес цей складний і складається з багатьох стадій, у метановому бродінні розрізняють дві фази. У першій фазі бродіння (кислої) розщеплюються складні органічні речовини з утворенням органічних кислот, а також спиртів, аміаку, ацетону, H 2 S, CO 2 , Н 2 та ін, в результаті чого стічні води підкислюються до рН = 5-6. Потім під дією метанових бактерій (лужна фаза) кислоти руйнуються з утворенням СН 4 і СО 2 . Вважається, що швидкості перетворення в обох фазах однакові. У середньому рівень розпаду органічних сполук становить 40 %.

    Процеси метанового бродіння здійснюють у метантенках - герметично закритих резервуарах, обладнаних пристроями для введення оброблюваного та відведення збродженого осаду.

    Процеси зброджування ведуть у мезофільних (30-35 ° С) та термофільних (50-55 ° С) умовах. У термофільних умовах руйнація органічних сполук відбувається інтенсивніше. Метантенк є залізобетонним резервуаром з конічним днищем, з пристроєм для уловлювання і відведення газу, а також обладнаний підігрівачем і мішалкою. Застосовуються метантенки діаметром до 20 м та корисним об'ємом до 4000 м 3 .

    Процес бродіння стічних вод ведуть у два щаблі. При цьому частина осаду з другого метантенка повертається до першого, де забезпечується хороше перемішування. При зброджуванні виділяються гази із середнім вмістом СН 4 – 63-65 %, СО 2 – 32-34 %. Теплотворна здатність газу 23 МДж/кг він спалюється в топках парових котлів. Отримана при цьому пара використовується для нагрівання опадів метантенках або для інших цілей.

    Список літератури


    1. Техніка захисту навколишнього середовища/Родіонов А.І., Клушин В.М., Торочешніков Н.С. Навчальний посібник для вишів. - М.: Хімія, 1989.

    1. КомароваЛ.Ф., Корміна Л.А. Інженерні методи захисту довкілля. Техніка захисту атмосфери та гідросфери від промислових забруднень: Навчальний посібник. - Барнаул, 2000.

    Ці методи застосовують для очищення господарсько-побутових та промислових стічних вод від багатьох розчинних органічних та деяких неорганічних (сірководню, аміаку, сульфідів, нітритів та ін) речовин. Процес очищення ґрунтується на здатності мікроорганізмів використовувати перелічені речовини для живлення в процесі життєдіяльності – органічні речовини для мікроорганізмів є джерелом вуглецю. Біохімічне очищення стічних вод може протікати в аеробних (біохімічне окислення) та анаеробних (біологічне розкладання) умовах.

    Очищення в анаеробних умовахвідбувається під дією анаеробних мікроорганізмів, в результаті кількість органічних забруднювачів, що містяться в стічній воді, зменшуються завдяки перетворенню їх у гази (метан, двоокис вуглецю) та розчинені солі, а також зростанню біомаси анаеробних рослин. Розпад здійснюється у 2 фази: спочатку органічна речовина перетворюється на органічні кислоти та спирти (перша група мікроорганізмів), а потім органічні кислоти та спирти – на метан та двоокис вуглецю (друга група мікроорганізмів).

    Процес в цілому залежить від підтримки сприятливих для обох груп мікроорганізмів середовища і рівновага між фазами має бути таким, щоб кислоти видалялися з тією ж швидкістю, з якою вони утворюються. Анаеробний метод використовується в основному для зброджування надлишкового активного мулу, що утворюється при анаеробному очищенні.

    Очищення в анаеробних умовах відбувається в присутності розчиненого у воді кисню, являючи собою модифікацію природного процесу, що протікає в природі, самоочищення водойм. Для біоочищення промислових стічних вод найбільш поширені процеси з використанням активного мулу, що проводяться в аеротенках. Активний мул створюється за рахунок зважених частинок, не затриманих при відстоюванні, і за рахунок колоїдних речовин з мікроорганізмами, що на них розмножуються. Активний мул в рідині, що аерується, значно прискорює процеси окислення і створює умови для процесів адсорбції органічних речовин.

    Руйнування органічних речовин до вуглекислого газу та інших нешкідливих продуктів окислення відбувається внаслідок біоценозу, тобто. комплексу всіх бактерій та найпростіших мікроорганізмів, що розвиваються в даній споруді. Споживання мікроорганізмами органічних складових стічних вод відбувається у 3 стадії: 1) масопередача органічної речовини та кисню з рідини до поверхні клітини; 2) дифузія речовини та кисню через напівпроникну мембрану клітини; 3) метаболізм дифундованих продуктів, що супроводжується приростом біомаси, виділенням енергії, діоксиду вуглецю тощо.


    Інтенсивність та ефективність біологічного очищення стічних вод визначається швидкістю розкладання бактерій.

    Біологічне очищення стічних вод може здійснюватися у природних чи штучних умовах.

    У природних умовах використовують спеціально підготовлені ділянки землі (поля зрошення та фільтрації) або біологічні ставки. Вони є земляні резервуари глибиною 0,5?1 м, в яких відбуваються ті ж процеси, що і при самоочищенні водойми.

    Поля зрошення– спеціально підготовлені земельні ділянки, використовувані одночасно очищення стічних вод і агрокультурних цілей, тобто. для вирощування зернових та силосних культур, трав, овочів, а також для посадки чагарників та дерев. Поля фільтрації призначені лише для біологічного очищення стічних вод.

    Поля зрошення та біологічні ставки розташовують на місцевості, що має ухил сходами, щоб вода самопливом переливалася з однієї ділянки на іншу. Очищення від забруднень відбувається в процесі фільтрації вод через ґрунт, в якому затримуються зважені та колоїдні частинки, утворюючи в порах ґрунту плівку. У глибокі верстви грунту проникнення кисню утруднено, тому найсильніше окислення відбувається у верхніх шарах грунту, тобто. на глибині до 0,2?0,4 м.

    Біологічні ставки– призначені для біологічного очищення та доочищення стічних вод у комплексі з іншими очисними спорудами. Їх виконують у вигляді каскаду ставків, що складають з 3?5 ступенів. Процес очищення стічних вод реалізується за такою схемою: бактерії використовують для окислення забруднень кисень, виділений водоростями в процесі фотосинтезу, а також кисню з повітря. Водорості споживають двоокис вуглецю, фосфати та амонійний азот, що виділяється при біохімічному розкладанні органічних речовин. Тому для нормальної роботи ставків необхідно дотримуватися оптимальних значень рН і температури стічної води. Температура має бути не менше 6°С, у зв'язку з чим у зимовий час ставки не експлуатуються.

    Розрізняють ставки з природною та штучною аерацією. Глибина ставків з природною поверхневою аерацією не перевищує 1 м. При штучній аерації ставків за допомогою механічних аераторів або продування повітря через товщу води їхня глибина збільшується до 3 м. Застосування штучної аерації прискорює процеси очищення води. Недоліками ставків є низька окисна здатність, сезонність роботи, потреба у великих територіях.

    Спорудження для штучного біологічного очищенняза ознакою розташування в них активної біомаси можна розділити на 2 групи: 1) активна біомаса знаходиться в стічній воді, що обробляється, у зваженому стані (аеротенки, окситенки); 2) активна біомаса закріплюється на нерухомому матеріалі, а стічна вода обтікає його тонким плівковим шаром (біофільтри).

    Аеротенкиє залізобетонні резервуари, прямокутні в плані, розділені перегородками на окремі коридори.

    Стічна вода після споруд механічного очищення поєднується зі зворотним активним мулом (біоценозом) і, послідовно пройшовши коридорами аеротенка, надходить у вторинний відстійник. Час перебування в аеротенці оброблюваної стічної води в залежності від її складу коливається від 6 до 12 годин. За цей час переважна більшість органічних забруднень переробляється біоценозом активного мулу. Для підтримки активного мулу у зваженому стані, інтенсивного його перемішування та насичення оброблюваної суміші кисню повітря в аеротенках влаштовують різні системи аерації (частіше механічна або пневматична). З аеротенків суміш обробленої стічної води і активного мулу надходить у вторинний відстійник, звідки активний мул, що осів на дно, за допомогою спеціальних пристроїв (илососів) відводиться в резервуар насосної станції, а очищена стічна вода надходить або на подальшу доочищення, або дезінфікується. У процесі біологічного окиснення відбувається приріст біомаси активного мулу. Для створення оптимальних умов її життєдіяльності надлишок мулу виводиться із системи і направляється в споруди з обробки осаду, а основна частина у вигляді мулу знову повертається в аеротенк.

    Комплекси очисних споруд, до складу яких входять аеротенки, мають продуктивність від кількох десятків до 2?3 млн. м 3 стічних вод на добу.

    Замість повітря для пневматичної аерації стічних вод може подаватися чистий кисень. Для цього процесу використовують окситенки, дещо відмінні за конструкцією від аеротенків. Окислювальна здатність окситенків у 3 рази вища.

    Біофільтризнаходячи широке застосування при добових витратах побутових та виробничих стічних вод до 20...30 тис. м 3 на добу. Найважливішою складовою біофільтрів є завантажувальний матеріал. За типом завантажувального матеріалу їх поділяють на 2 категорії: з об'ємним та плоским завантаженням. Біофільтри – це резервуари круглої та прямокутної форми, які заповнюються завантажувальним матеріалом. Об'ємний матеріал, що складається з гравію, керамзиту, шлаку з крупністю фракцій 1580 мм, після сортування фракцій засипається шаром висотою 24 м. Площинний матеріал виконується у вигляді жорстких (кільцевих, трубчастих елементів з пластмас, кераміки, металу) рулонна тканина) блоків, які монтуються в тілі біофільтра шаром завтовшки 8 м.

    Стічна вода, що подається вище завантажувального матеріалу, рівномірно розподіляється через нього, при цьому на поверхні матеріалу утворюється біологічна плівка (біоценоз), аналогічна активному мулу в аеротенках. Завантажувальний матеріал підтримується решітчастим днищем, крізь отвори якого оброблена стічна вода надходить на суцільне дно біофільтра та за допомогою лотків відводиться з біофільтра у вторинний відстійник.

    Біофільтри з об'ємним завантаженням ефективні при повному біологічному очищенні. Біофільтри з площинним завантаженням також можуть застосовуватися для повного біологічного очищення, але їх доцільніше застосовувати як перший ступінь двоступеневого біологічного очищення тоді, коли мають місце залпові викиди висококонцентрованих виробничих стічних вод або проводиться реконструкція очисних комплексів.

    При експлуатації споруд біологічної очистки необхідно дотримуватися технологічного регламенту їх роботи, не допускати перевантажень і особливо залпових надходжень токсичних компонентів, оскільки такі порушення можуть згубно позначитися на життєдіяльності організмів. Тому в стічних водах, що спрямовуються на біологічне очищення, вміст нафти та нафтопродуктів має бути не більше 25 мг/л, ПАР – не більше 50 мг/л, розчинених солей – не більше 10 г/л.

    Біологічна очистка не забезпечує повного знищення у стічних водах усіх хвороботворних бактерій. Тому після неї воду дезінфікують рідким хлором або хлорним вапном, озонуванням, ультрафіолетовим випромінюванням, електролізом або ультразвуком.

    Знезараження очищених стічних вод проводиться для знищення хвороботворних бактерій, вірусів і мікроорганізмів, що містяться в них; ефект знезараження повинен становити майже 100%. Тому після повного очищення стічні води вводять сполуки хлору або інші сильні окислювачі (озон), що забезпечують захист водойм від попадання в них збудників захворювань.

    Для природних вод, здоров'я людей, тварин і риб найбільш небезпечні різні радіоактивні відходи, які утворюються на атомних електростанціях під час обробки ядерного палива. Обробка стічних вод, що містять радіоактивні забруднення, залежить від рівня активності та солевмісту. Води з низьким вмістом солі обробляються іонообмінними і намивними фільтрами. При високому солевмісті методи електродіалізу та випарювання, а залишкові забруднення знімаються на іонообмінних установках. Усі стічні води з радіоактивністю, вищою за допустиму, зливають у спеціальні підземні резервуари або закачують у глибокі підземні безстічні басейни.

    У стоках містяться речовини органічного та неорганічного походження, причому органічних набагато більше. І якщо неорганічних включень найпростіше позбутися механічним способом, то видалення органічних домішок потрібні інші методи. Одним із основних є біологічне очищення стічних вод. Про його особливості, різновиди та технології ви дізнаєтеся в цій статті.

    Вода – це життя, але споживаємо ми її чисте, а повертаємо брудне. Якщо стоки не очищати, то час «дорогоцінної вологи», описаний багатьма письменниками-фантастами, настане дуже скоро. Природа може очищати воду самостійно, але ці процеси протікають дуже повільно. Кількість людей збільшується, обсяги споживання води також зростають, тому проблем організованого та ретельного очищення стоків стоїть особливо гостро. Найефективнішою технологією очищення води є біологічна. Але перш ніж розглядати основні принципи її роботи, потрібно розібратися зі складом води.

    Склад побутових стічних вод

    У будь-якому будинку з водопроводом є каналізація. Вона забезпечує нормальні процеси транспортування стоків із квартир та будинків до станцій очищення. У каналізаційних трубах протікає звичайна вода, але забруднена. Домішок у ній лише 1%, але саме він робить стоки непридатними для подальшого застосування. Тільки після очищення воду можна буде повторно використовувати для пиття та у побуті.

    Точний склад стічних вод назвати не можна, оскільки він залежить від місця взяття спеціальної проби, але навіть в тому самому місці кількість і набір домішок можуть відрізнятися. Найчастіше у воді містяться тверді частинки, біологічні домішки, неорганічні включення. З неорганікою все просто її видаляє навіть найпростіший фільтр, але з органікою вам доведеться поборотися. Якщо нічого не робити, дані речовини починають розпадатися і утворюють осад, що гниє (звідси – неприємний характерний «запах каналізації»). Причому гнити починають не тільки органічні речовини, що розклалися, а й вода.

    Якщо двома словами, то до складу стоків входять жири, ПАР, фосфати, хлоридні та азотні сполуки, нафтопродукти, сульфати. Самостійно з води вони зникнути не можуть – потрібне комплексне очищення. Особливо гостро проблема стоїть у тих будинках, в яких проведено автономну систему водовідведення та водопостачання, адже на кожній ділянці є і вигрібна яма, і свердловина на воду. Якщо стоки не очищати, вони можуть потрапити до крану – і ситуація стане небезпечною для життя.

    Методи очищення побутових та промислових стоків

    Стічні води можуть самоочищатися в природних умовах, але якщо їх обсяг невеликий. Оскільки промислова галузь сьогодні розвинена високо, обсяги стоків на виході утворюються значні. І щоб отримати чисту воду, людина має вирішити питання з нечистотами – тобто їх очищенням. Усього існує кілька методів очищення стоків – це механічний, хімічний, фізико-хімічний та біологічний. Розглянемо докладніше особливості кожного їх.

    Механічна очистка передбачає застосування таких методик як фільтрація та відстоювання. Основні інструменти – грати, сита, фільтри, пастки та уловлювачі. Коли вода проходить первинне очищення, вона потрапляє у відстійник – ємність, призначену для відстоювання стоків з утворенням осаду. Механічна очистка використовується у більшості сучасних систем, але рідко як самостійний спосіб. А вся справа в тому, що вона не підходить для видалення хімічних компонентів та органічних домішок.

    Хімічна очистка проводиться із застосуванням реагентів – особливих хімічних речовин, які входять у реакцію з домішками, які у воді, і утворюють нерозчинний осад. В результаті вміст розчинених суспензій знижується на 25%, а нерозчинних на 95%.

    Фізико-хімічне очищення передбачає застосування таких методик як окислення, коагуляція, екстракція тощо. Дані процеси дозволяють видаляти з води неорганічні включення і руйнувати органічні домішки, що погано окислюються. Найпопулярнішою фізико-хімічною методикою очищення є електроліз.

    Біологічна очистка – процес, заснований на застосуванні специфічних мікроорганізмів та принципів їхньої життєдіяльності. Бактерії спрямовано впливають на специфічні органічні забруднювачі і відбувається очищення води.

    Методи біологічного очищення стічних вод та її користь. Станції та споруди біологічного очищення стічних вод

    До методів біологічного очищення стічних вод відносять аеротенки, біологічні фільтри та звані біопруди. Кожен спосіб має свої особливості, про які ми розповімо далі.

    Аеротенки

    Дана біологічна методика очищення передбачає взаємодію очищених попередньо механічним способом стоків та активного мулу. Взаємодія відбувається у спеціальних ємностях – вони складаються мінімум з двох секцій і обладнуються системами аерації. Активний мул містить велику кількість аеробних мікроорганізмів, які у відповідних умовах виводять із стоків різні забруднювачі. Іл – це складна система біоценозу, у якій бактерії за умови регулярного надходження кисню починають поглинати органічні домішки. Біологічне очищення відбувається постійно за однієї головної умови – у воду має надходити повітря. Коли переробка органіки завершується, рівень споживання кисню (БПК) падає, і вода подається до наступних секцій.

    В інших секціях в роботу включаються бактерії-нітрифікатори, які переробляють такий елемент, як азот амонійних солей з утворення нітритів. Дані процеси здійснює одна частина мікроорганізмів, інша поїдає нітрити з утворенням нітратів. Після завершення цього процесу стоки, що очищаються, подаються у вторинний відстійник. Тут активний мул випадає в осад, а очищена вода прямує до водойм.

    Біофільтр – популярна серед власників заміських будинків біологічна станція очищення. Вона є компактним пристроєм, до складу якого входить резервуар із завантажувальним матеріалом. У вигляді активної плівки в біофільтрі знаходяться мікроорганізми, які здійснюють ті самі процеси, що й у першому випадку.

    Види установок:

    • двоступінчасті;
    • крапельної фільтрації.

    Продуктивність пристроїв з краплинним типом фільтрації низька, але вони гарантують максимальну ступінь очищення стоків. Другий тип більш продуктивний, але якість очищення буде приблизно такою самою, як і в першому випадку. Обидва фільтри складаються з так званого «тіла», розподільника, дренажної та повітророзподільної систем. Принцип роботи біофільтрів аналогічний принципу роботи аеротенків.

    Біологічні ставки

    Для проведення очищення стоків даним способом має бути відкрита штучна водойма, в якій будуть протікати процеси самоочищення. Цей спосіб є найефективнішим, підходять навіть неглибокі ставки глибиною до одного метра. Значна площа поверхні дозволяє воді добре прогріватися, що також надає необхідний вплив на процеси життєдіяльності мікроорганізмів, що беруть участь в очищенні. Максимально ефективним цей спосіб є в теплу пору року – при температурі близько 6 градусів і нижче процеси окислення зупиняються. Взимку очищення взагалі не відбувається.

    Види ставків:

    • рибницькі (з розведенням);
    • багатоступінчасті (без розведення);
    • ставки доочищення.

    У першому випадку стоки змішуються з річковою водою, після чого прямують у ставки. У другому вода прямує у водойму без розведення відразу після відстоювання. Перший спосіб вимагає близько двох тижнів часу, а другий місяць. Перевага багатоступінчастих систем – порівняно низька вартість.

    У чому переваги біологічного методу очищення стічних вод?

    Біологічне очищення стоків гарантує отримання майже 100% чистої води. Проте врахуйте – як самостійний метод біостанція не використовується. Отримати кристально чисту воду можна лише тому випадку, якщо спочатку видалити неорганічні домішки іншими способами, та був прибрати органіку біологічним методом.

    Ееробні та анаеробні бактерії – що це?

    Мікроорганізми, що застосовуються в процесі переробки стічних вод, поділяються на аеробні та анаеробні. Аеробні існують тільки в кисневмісному середовищі і повністю розщеплюють органіку до СО2 та Н2О, одночасно синтезуючи власну біомасу. Формула цього процесу виглядає так:

    CxHyOz + O2 -> CO2 + H2O + біомаса бактерій,

    де CxHyOz – органічна речовина.

    Анаеробні мікроорганізми нормально обходяться без кисню, але й приріст біомаси у них невеликий. Бактерії цього типу потрібні для безкисневого бродіння органічних сполук з утворенням метану. Формула:

    CxHyOz -> CH4 + CO2 + біомаса бактерій

    Анаеробні методики є незамінними при високих концентраціях органіки – які перевищують гранично допустимі для аеробних мікроорганізмів. За низького вмісту органіки анаеробні мікроорганізми, навпаки, малоефективні.

    Призначення біологічних способів очищення води

    Більшість забруднювачів стоків становлять речовини органічного походження. Основні джерела даних забруднень та споживачі очищених стоків:

    • ЖКГ, підприємства харчової промисловості та тваринницькі комплекси.
    • Підприємства хімічної, нафтопереробної, целюлозно-паперової та шкіряної промисловості.

    Склад стоків у цих випадках буде різним. Одне можна сказати точно – лише за умови комплексного очищення з обов'язковим застосуванням біологічних методів можна досягти ідеальних результатів.

    Принципи біологічного очищення та список необхідного обладнання

    З урахуванням поточних принципів біологічної очистки підбирається устаткування організації очисної біостанції. Основні варіанти:

    • біологічні ставки;
    • поля фільтрації;
    • біофільтри;
    • аеротенки;
    • метатенки;
    • фільтруючі колодязі;
    • піщано-гравійні фільтри;
    • канали циркуляційного окиснення;
    • біореактори.

    Зверніть увагу, що для штучного та природного очищення стоків можуть застосовуватись різні методики.

    Очищення стічних вод біологічними методами: переваги та недоліки

    Біологічні методики ефективні для очищення стічних вод від органіки, але досягти справді високих результатів можна лише за умови комплексного використання різних методів. Крім того, можливості бактерій не безмежні – мікроорганізми видаляють незначні домішки органіки. Вартість біологічних очисних станцій порівняно невисока.

    Усі способи очищення стічних вод

    До потрапляння в систему біологічного чищення стоки повинні піддаватися механічному очищенню, а після неї – знезараженню (хлорування, вплив ультразвуком, електроліз, озонування тощо) та дезінфекції. Тому в рамках комплексного очищення стоків застосовують також хімічні, механічні, мембранні, реагентні методи.

    У складі будь-яких стічних вод присутні компоненти органічного та неорганічного походження. Якщо неорганічних великих і щільних включень легко позбутися методами механічної фільтрації, то складних органічних складових, присутніх у воді у вигляді суспензії позбутися таким способом не вийде. Для цього знадобиться біохімічне очищення стічних вод. Ця методика не менш ефективна і не така дорога, як штучні методи очищення. Крім того, такий спосіб очищення не вимагає виконання складного процесу утилізації реагентів, що використовуються.

    Біохімічний спосіб очищення заснований на використанні спеціальних бактерій, які під час своєї життєдіяльності розщеплюють складні органічні сполуки більш прості елементи – воду, вуглекислий газ і мінеральний осад.

    Ці бактерії постійно присутні у ґрунті та воді, де вони сприяють природному очищенню ґрунту та води. Але оскільки їхня концентрація невисока, процеси природного очищення протікають досить повільно.

    У очисних спорудах, де застосовується метод біохімічної очистки, є великі колонії мікробів, що у переробці стоків. При цьому у цих спорудах створюються сприятливі умови для життєдіяльності мікроорганізмів, що дозволяє значно прискорити процеси очищення води у споруді порівняно з природним очищенням у природі.

    Як правило, при біохімічному очищенні використовується один із двох видів бактерій або їх комбінація:

    • Аеробні мікроорганізми переробляють складні органічні сполуки. В результаті окислення вони розщеплюються на воду, мінеральний осад та вуглекислий газ. Головна особливість цих бактерій у тому, що вони потребують кисню, тому конструкції з їх використанням обладнуються аераторами та компресорами.
    • Анаеробні мікроорганізми у невеликій кількості завжди присутні у стоках. Ці бактерії не потребують кисню. Однак їм потрібний вуглекислий газ та нітрати, щоб вести свою життєдіяльність. Ці організми у процесі життя виділяють метан, тому у споруді необхідно використовувати систему вентиляції.

    Способи біохімічного очищення

    Сьогодні використовуються такі біохімічні методи очищення стічних вод:

    1. Біологічні ставки.
    2. Конструкції з використанням аеробних методів очищення – аеротенки та біофільтри.
    3. Очисні пристрої з анаеробним розкладанням (септики, відстійники та метантенки).

    Біопруди


    Це штучні водоймища невеликої глибини (0,5-1 м), в яких стоки проходять процеси, що дуже нагадують природне самоочищення. Ці ставки добре прогріваються сонцем, тому в них створюються сприятливі умови для життя бактерій.

    Найвищий санітарний ефект ставків досягається в теплу пору року. Так, колонії кишкової палички знищуються на 99 %, шкідливі мікроорганізми кишкової групи повністю винищуються, окислюваність середовища знижується на 90 відсотків, а концентрація амонійного та органічного азоту зменшується на 97 %.

    Важливо: такий спосіб очищення можна використати і взимку. Ставки можуть працювати під шаром льоду. Тільки з нього потрібно обов'язково зчищати сніг, щоб до бактерій надходило сонячне світло.

    Біологічні ставки бувають декількох видів:

    • Проточні водоймища, В яких стоки розбавляються річковою водою. Після відстійника стоки змішуються з водою у співвідношенні 1 до 3-5. Тут рідина очищається протягом 14-21 днів. Ставок підходить для розведення риби та вирощування качок. Недолік полягає у необхідності спорудження відстійника, потреби у річковій воді.
    • Проточні ставки, в яких стоки не розбавляються річковою водою. Цей спосіб очищення передбачає проходження стічної водою каскаду з 4-5 водойм. У першому ставку має бути перешкода для стримування твердого осаду, а останній ставок годиться для розведення риби.
    • Водойми для доочищення стоківвикористовуються на станціях біологічної очистки, де не вдається переробити великі обсяги стоків або потрібно досягти високого ступеня очищення. Зазвичай вся система складається з 2-3 ставків, у яких також можна розводити рибу.
    • Анаеробні ставкидосягають кількох метрів завглибшки. Тут використовуються анаеробні способи очищення. Головними недоліками таких ставків є те, що в довкілля постійно виділяється метан, а також патогенні бактерії можуть потрапити в ґрунтові води.
    • Контактні водоймища. Принцип очищення тут ґрунтується на тому, що у стоячій воді процеси біохімічного окислення протікають набагато швидше. Система складається із серії паралельно розташованих карт. Вода переходить з одного водоймища в інший щодня. Процес повного очищення виконується за 5-10 днів.

    Станції очищення з аеробним розкладанням


    До таких споруд відносяться біофільтри та аеротенки. Принцип роботи біофільтра ґрунтується на тому, що забруднені води спочатку проходять стадію механічного очищення. Через деякий час починається обростання завантаження (частини біофільтра) біологічною плівкою. Цей процес протікає завдяки адсорбції мікроорганізмів із стоків. Тільки після цього розпочинаються процеси біохімічного окислення органіки.

    Важливо: головною умовою виконання ефективного очищення є хороша аерація.

    Біофільтр - це конструкція, заповнена крупнозернистим матеріалом, що не піддається набуханню (шлаком, галькою, щебенем). Поверхня цього матеріалу зрошується стоками кожні 10-15 хвилин. Рідина, що пройшла фільтр, проходить через дренажні отвори та стікає у лотки. Аерація біологічного фільтра може бути штучною чи природною. Штучні засоби аерації дозволяють значно прискорити процеси біологічного окислення.

    Аеротенк – це очисні споруди, у яких використовуються принципи природного біологічного очищення стічних вод. Проте інтенсивність цих процесів набагато вища. Аерація стоків тут виконується за допомогою нагнітання повітря за допомогою аераторів та компресорів. Тут функції біологічної плівки виконує активний мул – це особливі пластівці, які складаються із суспензії мікроорганізмів.

    Принципи очищення в такій споруді виглядають так:

    1. Стоки, перемішані з активним мулом, потрапляють у довгий резервуар і просуваються ним.
    2. Щоб підтримувати мул у зваженому вигляді та прискорювати окислювальні процеси, у систему постійно нагнітається під тиском повітря.
    3. Після завершення окисного процесу суміш мулу зі стоками потрапляє у вторинний відстійник, де відбувається відділення активного мулу від очищених вод. Активний мул за допомогою ерліфта перекачується назад в аеротенк.
    4. Після знезараження воду можна зливати у водоймища.

    Важливо: такий спосіб очищення призводить до утворення великої кількості активного мулу, тому його необхідно періодично витягувати. Отриманий активний мул можна використовувати для удобрення полів.

    Активний мул – це біомаса, що складається з бактерій, найпростіших, мікроорганізмів-нітрифікаторів та денітрифікаторів, а також грибів. У складі відсутні представники групи водоростей. Активний мул чудово адсорбує бактерії групи кишкової палички.

    Станції очищення з анаеробним розкладанням


    Осад стічних вод на 95 відсотків складається з води, на 5 - з вуглеводів, жирів та білків. Для знезараження осаду на очисних спорудах також використовуються біохімічні методи. Вони дозволяють змінити структуру осаду, в результаті чого він стає швидко підсихає речовиною, що легко піддається утилізації.

    Процеси анаеробного бродіння у природних умовах протікають із виділенням метану, води та вуглекислого газу. Існують такі види очисних споруд, у яких використовуються процеси анаеробного розкладання:

    • Септики - це споруди, в яких поєднуються процеси зброджування та утворення осаду. Ці конструкції підходять для обслуговування невеликих об'єктів – заміських будинків та дач. Очищення септика може виконуватися вручну, оскільки габарити споруди невеликі. Зазвичай ця процедура виконується 1-2 рази на рік. Зброджений осад із септика не можна використовувати як добрива, оскільки він становить загрозу для навколишнього середовища. Перед утилізацією осаду необхідно знезаразити, підігрів до 60 градусів. Септики можуть складатися з 1, 2 або 3 камер. Ці конструкції підходять для попереднього очищення стоків, після чого вони потребують доочищення на полях фільтрації, фільтраційних колодязях або канавах.
    • Метантенки. Тут зброджування осаду виконується під час штучного підігріву. Сюди стоки потрапляють після первинного відстійника. Метантенк – це закритий резервуар, у якому виконується анаеробна переробка осаду. У таких конструкціях новий осад постійно перемішується із зрілим. Ефективність роботи всієї конструкції залежить кількості зрілого осаду. Чим його більше, тим краще.
    • Двоярусні відстійникивідрізняються від септиків тим, що в них усунуто багато їхніх недоліків. Так, у рідкі стоки не можуть потрапляти гази, що виділяються під час розкладання осаду. У цих конструкціях процес бродіння може тривати від 1 до 6 місяців. При цьому над двоярусним відстійником стоїть уловлювач газів. Зброджений осад подається для висушування на мулові плантації. Розкладання органіки у відстійнику протікає набагато швидше та ефективніше, ніж у септиці. Такі конструкції не використовують у середніх широтах, оскільки взимку зброджування осаду неможливо виконати.

    → Очищення стічних вод

    Біохімічні основи методів біологічного очищення стічних вод


    Біологічні методи очищення стічних вод грунтуються на природних процесах життєдіяльності гетеротрофних мікроорганізмів. Мікроорганізми, як відомо, мають цілу низку особливих властивостей, з яких слід виділити три основні, широко використовувані для цілей очищення:
    1. Здатність споживати як джерела харчування найрізноманітніші органічні (і деякі неорганічні) сполуки для отримання енергії та забезпечення свого функціонування.

    2. По-друге, ця властивість швидко розмножуватиметься. У середньому число бактеріальних клітин подвоюється кожні 30 хв. За твердженням проф. Н.П. Блінова, якби мікроорганізми могли безперешкодно розмножуватися, то за наявності достатнього харчування та відповідних умов за 5 – 7 днів маса лише одного виду мікроорганізмів заповнила б басейни всіх морів та океанів. Цього, однак, не відбувається як через обмеженість джерел харчування, так і завдяки природній екологічній рівновазі, що склалася.

    3. Здатність утворювати колонії і скупчення, які порівняно легко можна відокремити від очищеної води після завершення процесів вилучення забруднень, що містилися в ній.

    У живій мікробіальній клітині безперервно і одночасно протікають два процеси – розпад молекул (катаболізм) та їх синтез (анаболізм), що становлять загалом процес обміну речовин – метаболізм. Іншими словами, процеси деструкції споживаних мікроорганізмами органічних сполук нерозривно пов'язані з процесами біосинтезу нових мікробіальних клітин різних проміжних або кінцевих продуктів, на проведення яких витрачається енергія, одержувана мікробіальною клітиною в результаті споживання поживних речовин. Джерелом харчування для гетеротрофних мікроорганізмів є вуглеводи, жири, білки, спирти і т.д., які можуть розщеплюватися ними або в аеробних або анаеробних умовах. Значна частина продуктів мікробної трансформації може виділятися клітиною у довкілля чи накопичуватися у ній. Деякі проміжні продукти є живильним резервом, який клітина використовує після виснаження основного харчування.

    Весь цикл взаємовідносин клітини з довкіллям у процесі вилучення з неї та трансформації поживних речовин визначається та регулюється відповідними ферментами. Ферменти локалізуються в цитоплазмі та в різних субструктурах, вбудованих в мембрану клітини, виділяються на поверхню клітини або в навколишнє середовище. Загальний вміст ферментів у клітині досягає 40-60% від загального вмісту в ній білка, а вміст кожного ферменту може становити від 0,1 до 5% від вмісту білка. При цьому в клітинах може бути понад 1000 видів ферментів, а кожну біохімічну реакцію, що здійснюється клітиною, можуть каталізувати 50-100 молекул відповідного ферменту. Частина ферментів є складними білками (протеїдами), що містять крім білкової частини (апоферменту) небілкову частину (кофер-мент). У багатьох випадках коферментами є вітаміни, іноді комплекси, що містять іони металів.

    Ферменти поділяються на шість класів за характером реакцій, що каталізують: окислювальні та відновлювальні процеси; перенесення різних хімічних груп від субстрату до іншого; гідролітичне розщеплення хімічних зв'язків субстратів; відщеплення від субстрату хімічної групи або приєднання такої; зміна у межах субстрату; з'єднання молекул субстрату із використанням високоенергетичних сполук.

    Оскільки мікробіальна клітина споживає тільки розчинені у воді органічні речовини, то проникнення в клітину нерозчинних у воді речовин, таких, наприклад, як крохмаль, білки, целюлоза та ін. можливе лише після їх відповідної підготовки, для чого клітина випускає в навколишню рідину необхідні ферменти гідролітичного їх розщеплення на простіші субодиниці.

    Коферменти визначають природу реакції, що каталізується, і за виконуваними функціями поділяються на три групи:
    1. Переносять іони водню або електрони. Пов'язані з окислювально-відновними ферментами – оксидоредуктазами.
    2. Ті, що беруть участь у переносі груп атомів (АТФ – аденозинтрифос-форна кислота, фосфати вуглеводів, СоА – коферменат А та ін.)
    3. Каталізуючі реакції синтезу, розпаду та ізомеризації вуглецевих зв'язків.

    Механізм вилучення з розчину та подальшої дисиміляції субстрату носить дуже складний та багатоступеневий характер взаємопов'язаних та послідовних біохімічних реакцій, що визначаються типом живлення та дихання бактерій. Досить сказати, що багато аспектів цього механізму не зовсім зрозумілі досі, незважаючи на його практичне використання, як у галузі біотехнології, так і в галузі біохімічного очищення води від органічних домішок у широкому спектрі схем його технологічного оформлення.

    Найбільш рання модель процесу біохімічного вилучення та окислення забруднень ґрунтувалася на трьох головних положеннях: сорбційне вилучення та накопичення речовини, що вилучається, на поверхні клітини; дифузійне переміщення через клітинну оболонку або самої речовини, або продуктів його гідролізу, або гідрофобного комплексу, що утворюється гідрофільною проникною речовиною та білком-посередником; метаболічна трансформація поживних речовин, що надійшли всередину клітини, що забезпечує дифузійне проникнення речовини в клітину.

    Відповідно до цієї моделі вважалося, що процес вилучення поживних речовин з води починається з їх сорбції та накопичення на поверхні клітини, для чого потрібно постійне перемішування біомаси з субстратом, що забезпечує сприятливі умови для “зіткнення” клітин з молекулами субстрату.

    Механізм перенесення речовини від поверхні клітини всередину -ця модель пояснювала або приєднанням проникаючої речовини до специфічного білка-переносника, що є компонентом мембрани клітини, який після введення речовини всередину клітини вивільняється і повертається на її поверхню для здійснення нового "захоплення" речовини і нового циклу переносу , або безпосереднім розчиненням цієї речовини в речовині стінки та цитоплазматичної мембрани, завдяки чому вона дифундує всередину клітини. Процес стабільного споживання речовини починався лише після деякого "періоду рівноваги" речовини між розчином і клітинами, що пояснювався протіканням гідролізу та дифузійним переміщенням речовини через клітинну оболонку до цитоплазматичної мембрани, де зосереджені різні ферменти. З початком метаболічних перетворень сорбційна рівновага порушується, і концентраційний градієнт забезпечує безперервність подальшого надходження субстрату в клітину.

    На третьому ж етапі відбуваються всі метаболічні перетворення субстрату частково в такі кінцеві продукти, як діоксид вуглецю, вода, сульфати, нітрати (процес окислення органічних речовин), частково в нові мікробіальні клітини (процес синтезу біомаси), якщо процес трансформації органічних сполук відбувається в аеробних умовах. Якщо ж біохімічне окислення протікає в анаеробних умовах, то його процесі можуть утворюватися різні проміжні продукти (можливо цільового призначення), СН4, NH3, H2S та ін. і нові клітини.

    Ця модель, однак, не змогла пояснити деякі кінетичні особливості транспортних процесів перенесення субстрату і, зокрема, накопичення субстрату в клітині проти концентраційного градієнта, що є найчастішим результатом цих процесів і отримав назву активного транспорту, на відміну від дифузійного переносу. Особливістю активних транспортних процесів є їх стереоспе-цифічність, коли близькі за хімічною структурою речовини конкурують за загальний переносник, а не просто дифундують у клітину під впливом концентраційного градієнта.

    У світлі сучасних поглядів модель переміщення субстрату через клітинну мембрану передбачає наявність у ній гідрофільного "каналу", через який усередину клітини можуть проникати гідрофільні субстрати. Однак, на відміну від вищеописаної моделі, тут здійснюється стереоспецифічне переміщення, що досягається, ймовірно, за рахунок “естафетної” передачі молекул субстрату від однієї функціональної групи до іншої. Субстрат при цьому як ключ відкриває відповідний для його проникнення канал (модель трансмембранного каналу).

    Друга альтернативна модель може розглядатися як комбінація перших двох із використанням їх позитивних властивостей. У ній передбачається наявність гідрофобного мембранного переносника, який шляхом послідовних конформаційних змін, що викликаються субстратом, проводить його із зовнішньої на внутрішній бік мембрани (модель конформаційної транслокації), де гідрофобний комплекс розпадається. У цій інтерпретації механізму транспорту субстрату через клітинну мембрану термін “переносник” як і вживається, хоча дедалі частіше замінюється терміном “пермеаза”, враховує генетичну основу його кодування як мембранного компонента клітини з метою перенесення речовини всередину клітини.

    Встановлено, що до складу мембранних транспортних систем часто входить більше одного посередника білкового і між ними може існувати поділ функцій. "Сполучні" білки ідентифікують субстрат у середовищі, підводять і концентрують його на зовнішній поверхні мембрани і передають його "справжньому" переноснику, тобто. компоненту, що здійснює перенесення субстрату через мембрану. Так, виділено білки, що беруть участь у “впізнанні”, зв'язуванні та транспорті ряду Сахарів, карбонових кислот, амінокислот та неорганічних іонів у клітини бактерій, грибів, тварин.

    Перетворення процесу перенесення речовини в клітину на односпрямований процес “активного” транспорту, що призводить до підвищення вмісту поживних речовин у клітині проти їх концентраційного градієнта в середовищі, вимагає від клітини певних енергетичних витрат. Тому процеси перенесення субстрату з навколишнього середовища всередину клітини пов'язані з процесами метаболічного вивільнення укладеної в субстраті енергії, що протікають всередині клітини. Енергія в процесі перенесення субстрату витрачається на хімічну модифікацію або субстрату, або самого переносника для того, щоб виключити або утруднити як взаємодію субстрату з переносником, так і повернення субстрату дифузійним шляхом через мембрану назад в розчин.

    Сучасні погляди на процеси біохімічного вилучення та окислення органічних сполук ґрунтуються на двох кардинальних положеннях теорії ферментативної кінетики. Перше положення постулює, що фермент і субстрат вступають у взаємодію один з одним, утворюючи фермент-субстратний комплекс, який в результаті однієї або декількох трансформацій призводить до появи продуктів, що знижують бар'єр активації каталізованої ферментом реакції за рахунок її дроблення на ряд проміжних етапів, кожен з яких не зустрічає енергетичних перешкод свого здійснення. Друге положення констатує те, що незалежно від характеру сполук та кількості етапів у ході ферментативної реакції, що каталізується ферментом, наприкінці процесу фермент виходить у незмінному вигляді і здатний вступати у взаємодію з наступною молекулою субстрату. Іншими словами, вже на етапі вилучення субстрату клітина взаємодіє з субстратом з утворенням відносно неміцної сполуки, яка називається “фермент-субстратним комплексом”.

    Вищезгадане добре ілюструється прикладом вилучення з розчину глюкози різними мікроорганізмами, що містять фермент глюкозооксидазу в середовищі з молекулярним киснем. Глюкозооксидаза утворює фермент-субстратний комплекс – глюкоза – кисень – глюкозооксидаза, після розпаду якого утворюються проміжні продукти – глюконолактон та пероксид водню, як це схематично показано на рис. 11.1.

    Глюконолактон, що утворився в результаті розпаду зазначеного комплексу, піддається гідролізу з утворенням глюконової кислоти.

    Однією з найважливіших властивостей ферментів є їхня здатність синтезуватися за наявності та під впливом певної речовини. Іншим не менш важливим властивістю є специфічність впливу ферменту як по відношенню до каталізується їм реакції, так і по відношенню до самого субстрату.

    Іноді фермент здатний впливати однією єдиний субстрат (абсолютна специфічність), але значно частіше фермент впливає групу схожих з наявності у яких певних атомних угруповань субстратів.

    Мал. 11.1. Схема “впізнавання” ферментом субстрату, утворення фермент-субстратного комплексу та каталіз

    Багатьом ферментам властива стереохімічна специфічність, яка полягає в тому, що фермент впливає на групу субстратів (а іноді на один), що відрізняються від інших особливим розташуванням атомів у просторі. Роль кожного ферменту в процесі біохімічного окислення органічних речовин суворо визначена: він каталізує або окислення (тобто приєднання кисню або відщеплення водню), або відновлення (тобто приєднання водню або відщеплення кисню) цілком певних хімічних сполук. При дегідруванні той чи інший фермент може відщеплювати лише певні атоми водню, які займають певне просторове становище молекули субстрату чи проміжного продукту. Сказане відноситься і до ферментів, які каталізують інші метаболічні процеси.

    Процеси біохімічного окислення у гетеротрофних мікроорганізмів ділять на три групи залежно від того, що є кінцевим акцептором водневих атомів або електронів, що відщеплюються від субстрату, що окислюється. Якщо акцептором є кисень, цей процес називають клітинним диханням або просто диханням; якщо акцептор водню -органічна речовина, процес окислення називають бродінням; нарешті, якщо акцептором водню є неорганічна речовина типу нітратів, сульфатів тощо, процес називають анаеробним диханням, або просто анаеробним.

    Найбільш повним є процес аеробного окиснення, т.к. його продукти - речовини, не здатні до подальшого розкладання в мікро-біальній клітині і не містять запасу енергії, яка могла б бути звільнена звичайними хімічними реакціями. Головні з цих речовин, як зазначалося – діоксид вуглецю (С02) і вода (Н20). Хоча обидві ці речовини містять кисень, хімічний шлях їх утворення в клітині може бути різним, оскільки діоксид вуглецю може виходити в результаті біохімічних процесів, що протікають у безкисневому середовищі під впливом ферментів – декарбоксилаз, що відщеплюють С02 від карбоксильної групи (СООН) кислоти. Вода в результаті життєдіяльності клітини утворюється виключно шляхом з'єднання кисню повітря з воднем тих органічних речовин, від яких він відщеплюється в процесі їх окислення.

    Аеробна дисиміляція субстрату – вуглеводів, білків, жирів - носить характер багатостадійного процесу, що включає початкове розщеплення складної вуглецевмісної речовини на більш прості субодиниці (наприклад полісахариди – у прості цукру; жири – в жирні кислоти та гліцерол; білки – в своєю чергою, подальшої послідовної трансформації. При цьому доступність субстрату окиснення істотно залежить від будови вуглецевого скелета молекул (прямий, розгалужений, циклічний) та ступеня окиснення вуглецевих атомів. Найбільш легко доступними вважаються цукри, особливо гексози, за ними йдуть багатоатомні спирти (гліцерин, маніт та ін) і карбонові кислоти. Загальний кінцевий шлях, яким завершується аеробний обмін вуглеводів, жирних кислот, амінокислот - цикл трикарбонових кислот (ЦТК) або цикл Кребса, в який ці речовини вступають на тому чи іншому етапі. Зазначається, що в умовах аеробного метаболізму близько 90% кисню, що споживається, використовується на дихальний шлях отримання енергії клітинами мікроорганізмів.

    Бродіння є процесом неповного розщеплення органічних речовин, переважно вуглеводів в умовах без кисню, в результаті якого утворюються різні проміжні частково окислені продукти, такі як спирт, гліцерин, мурашина, молочна, про-піонова кислоти, бутанол, ацетон, метан та ін. широко використовується в біотехнології для одержання цільових продуктів. До 97% органічного субстрату може перетворюватися на такі побічні продукти і метан.

    Ферментативне анаеробне розщеплення білків та амінокислот називають гниттям.

    Через малий вихід енергії при бродильному типі метаболізму, що здійснюють його мікробіальні клітини, повинні споживати більшу кількість субстрату (при меншій глибині його розщеплення), ніж клітини, які отримують енергію за рахунок дихання, що пояснює більш ефективне зростання клітин в аеробних умовах порівняно з анаеробними. .

    Найбільшу кількість енергії для свого функціонування клітина отримує в результаті окислення киснем водню, що відщеплюється від субстрату, що окислюється, під дією ферментів-дегідрогеназ, які за своєю хімічною дією діляться на нікотинамідні (НАД) і флавінові (ФАД). Нікотинамідні дегідрогенази першими реагують з субстратом, відщеплюючи від нього два атоми водню і приєднуючи їх до коферменту. В результаті цієї реакції субстрат окислюється, а НАД відновлюється до НАД Н2. Далі в реакцію вступає ФАД, переносячи водень з нікотинамідного коферменту на флавіновий, в результаті чого НАД Н2 знову окислюється до НАД, а флавіновий - відновлюється до ФАДН2. Далі через надзвичайно важливу групу окислювально-відновних ферментів-цитохромів – водень передається молекулярному кисню, що завершує процес окислення з утворенням остаточного продукту – води.

    У цій реакції і вивільняється найбільша частина ув'язненої в субстраті енергії. Весь процес аеробного окислення може бути схемою рис. 11.2.

    Енергія, що вивільняється в процесі мікробіального окислення речовини, акумулюється клітиною за допомогою макроергічних сполук. Універсальним накопичувачем енергії живих клітинах є аденозинтрифосфорная кислота – АТФ (хоча є й інші магроэнерги).

    Ця реакція фосфорилювання, як видно з (11.9) потребує енергії, джерелом якої в даному випадку є окислення. Тому фосфорилювання АДФ тісно пов'язане з окисленням, у зв'язку з чим цей процес називають окислювальним фосфорилюванням. У процесі окисного фосфорилювання при окисленні, наприклад, однієї молекули глюкози утворюється 38 молекул АТФ, тоді як у стадії гліколізу -тільки 2. При цьому слід зазначити, що стадія гліколізу протікає абсолютно однаково і в аеробних, і в анаеробних умовах, тобто. до утворення піровиноградної кислоти (ПВК), і на його протікання витрачаються 2 з 4 молекул АТФ, що утворюються.

    Шляхи подальшої трансформації ПВК в аеробних та в анаеробних умовах розходяться.

    Аеробна трансформація глюкози може бути представлена ​​наступною схемою:
    1. Гліколіз: СбН12Об + 2ФК-+2ПВК + 2НАДН2 + 4АТФ (11.10)
    2. Трансформація піровиноградної кислоти (ПВК): 2ПВК-*2С02 + 2 Ацетил КоА + 2НАДН2
    3. Цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса): Ацетил КоА -> 4С02 + 6НАДН2 + 2ФАДН2 + 2АТФ (11.12) ЕСбН12Про -> 6С02 + 10НАДН2 + 2ФАДН2 + 4АТФ (11.13)

    Окислення НАДН2 у системі переносу електронів дає ЗАТФ на
    1 моль; окислення 2ФАДН2 дає 4АТФ,
    тоді: СбН1206 + 602 -> 6С02 + 6Н20 + 38АТФ

    У разі анаеробного перетворення вуглеводів першим етапом є фосфорилювання глюкози, здійснюване з допомогою АТФ під впливом ферменту гексокиназы, тобто.
    Глюкоза + А ТФ-гексокіназа > глюкозо _ б - фосфат + АДФ
    Після завершення стадії гліколізу та утворення ПВК хід подальшого перетворення ПВК залежить від типу бродіння та його збудника. Основні типи бродіння: спиртове, молочнокисле, пропіоновокисле, олійнокисле, метанове.

    Окисне фосфорилювання може здійснюватися і під впливом ферменту, що синтезує АТФ на рівні субстрату. Однак, таке утворення макроергічних зв'язків носить дуже обмежений характер, і в присутності кисню клітини синтезують більшу частину АТФ, що міститься в них, через систему переносу електронів.

    Акумуляція речовини, що вивільняється в процесі дисиміляції в аеробних або анаеробних умовах за допомогою макроергічних сполук (і насамперед АТФ) дозволяє усунути невідповідність між рівномірністю процесів вивільнення хімічної енергії з субстрату і нерівномірністю процесів її витрачання, неминучою в реальних умовах.

    Спрощено весь процес розпаду органічних речовин у ході аеробних перетворень може бути представлений схемою, наведеною на рис. 11.3. Схема анаеробних перетворень ПВК після стадії гліколізу представлена ​​на рис. 11.4.

    Дослідженнями встановлено, що часто тип метаболізму залежить не так від наявності кисню в середовищі, як від концентрації субстрату.

    Це вказує на те, що залежно від конкретних умов функціонування біомаси в середовищі можуть одночасно протікати як аеробні, так і анаеробні процеси трансформації органічних сполук, інтенсивність яких також залежатиме від концентрації субстрату і кисню.

    Тут слід зазначити, що в промисловій біотехнології для одержання різних продуктів мікробіального походження (кормових або пекарських дріжджів, різних органічних кислот, спиртів, вітамінів, лікарських препаратів) використовуються чисті культури. мікроорганізми одного виду найчастіше селекціоновані, із суворою підтримкою видового складу, відповідних умов харчування, температури, активної реакції середовища тощо, що виключають появу та розвиток інших видів мікроорганізмів, що могло б призвести до відхилення якості продукту, що отримується, від встановлених стандартів.

    При очищенні стічних вод, що містять суміш різноманітних за хімічним складом забруднень, які іноді навіть дуже важко ідентифікувати аналітичними методами, біомаса, що здійснює очищення, також являє собою суміш, а точніше, співтовариство різних видів мікроорганізмів і найпростіших зі складними між ними відносинами. Як видовий, і кількісний склад біомаси очисних споруд залежатиме від конкретного методу біологічної очистки та його реалізації.

    За розрахунками деяких фахівців, при концентрації розчинених органічних забруднень, що оцінюються показником БПКП0Лн, до 1000 мг/л найвигідніше застосування аеробних методів очищення. При концентраціях БПКПОЛ від 1000 до 5000 мг/л економічні показники аеробних та анаеробних методів будуть практично однаковими. При концентраціях понад 5000 мг/л більш доцільним буде застосування анаеробних методів. Однак, при цьому слід брати до уваги не лише концентрацію забруднень, а й витрати стічних вод, а також той факт, що анаеробні методи призводять до утворення таких кінцевих продуктів, як метан, аміак, сірководень та ін., і не дозволяють отримати якість очищеної води , Порівнянна з якістю очищення аеробними методами. Тому при високих концентраціях забруднень застосовується поєднання анаеробних методів на першому ступені (або перших щаблях) очищення та аеробних методів на останньому ступені очищення. Слід наголосити, що побутові та міські стічні води, на відміну від виробничих, не містять концентрацій забруднень, що виправдовують застосування анаеробних методів, і тому ці методи очищення в цьому розділі не розглядаються.

    Мал. 11.3. Спрощена схема тристадійного розпаду молекул поживних речовин (Б. Альберте та ін. 1986)

    Мал. 11.4. Перетворення піровиноградної кислоти анаеробними мікроорганізмами на різні продукти