→ Почистване Отпадъчни води
Биохимични основи на методите за биологично пречистване на отпадъчни води
Биологичните методи за пречистване на отпадъчни води се основават на естествените процеси на жизнената активност на хетеротрофните микроорганизми. Известно е, че микроорганизмите имат редица специални свойства, от които трябва да се разграничат три основни, широко използвани за почистване:
1. Способността да се консумира голямо разнообразие от органични (и някои неорганични) съединения като хранителни източници за получаване на енергия и осигуряване на нейното функциониране.
2. Второ, това свойство е да се размножава бързо. Среден брой бактериални клеткиудвоява на всеки 30 минути. Според проф. Н.П. Блинов, ако микроорганизмите можеха да се размножават безпрепятствено, тогава при достатъчно хранене и подходящи условия за 5-7 дни масата само на един вид микроорганизми би изпълнила басейните на всички морета и океани. Това обаче не се случва както поради ограничените хранителни източници, така и поради съществуващия естествен екологичен баланс.
3. Способност за образуване на колонии и натрупвания, които сравнително лесно се отделят от пречистената вода след приключване на процесите на отстраняване на съдържащите се в нея замърсители.
В живата микробна клетка непрекъснато и едновременно протичат два процеса - разграждането на молекулите (катаболизъм) и техния синтез (анаболизъм), които изграждат цялостния метаболитен процес - метаболизъм. С други думи, процесите на разрушаване на органичните съединения, консумирани от микроорганизмите, са неразривно свързани с процесите на биосинтеза на нови микробни клетки, различни междинни или крайни продукти, чието изпълнение изразходва енергията, получена от микробната клетка в резултат на консумацията хранителни вещества. Източникът на хранене за хетеротрофните микроорганизми са въглехидрати, мазнини, протеини, алкохоли и др., Които могат да бъдат разградени от тях в аеробни или анаеробни условия. Значителна част от продуктите на микробната трансформация могат да бъдат освободени от клетката в околната среда или да се натрупат в нея. Някои междинни продукти служат като хранителен резерв, който клетката използва след изчерпване на основното хранене.
Целият цикъл на взаимоотношения между клетката и околната среда в процеса на отстраняване от нея и трансформация на хранителни вещества се определя и регулира от подходящи ензими. Ензимите са локализирани в цитоплазмата и в различни субструктури, вградени в клетъчната мембрана, освободени върху клетъчната повърхност или в околната среда. Общото съдържание на ензими в клетката достига 40-60% от общото съдържание на протеини в нея, като съдържанието на всеки ензим може да варира от 0,1 до 5% от съдържанието на протеини. Освен това клетките могат да съдържат над 1000 вида ензими и всяка биохимична реакция, извършвана от клетка, може да бъде катализирана от 50-100 молекули от съответния ензим. Някои ензими са сложни протеини (протеиди), съдържащи освен протеиновата част (апоензим) и небелтъчна част (коензим). В много случаи коензимите са витамини, понякога комплекси, съдържащи метални йони.
Според естеството на реакциите, които катализират, ензимите се разделят на шест класа: окислителни и редукционни процеси; пренасяне на различни химични групи от един субстрат на друг; хидролитично разцепване химически връзкисубстрати; отцепването или добавянето на химична група от субстрата; промяна в субстрата; свързване на субстратни молекули с помощта на високоенергийни съединения.
Тъй като микробната клетка консумира само разтворени във вода органични вещества, проникването в клетката на неразтворими във вода вещества, като нишесте, протеини, целулоза и др., е възможно само след подходящата им подготовка, за което клетката отделя необходимите ензими в околната течност тяхното хидролитично разцепване на по-прости субединици.
Коензимите определят характера на катализираната реакция и се разделят на три групи според функциите, които изпълняват:
1. Пренасяне на водородни йони или електрони. Свързан с редокс ензими - оксидоредуктази.
2. Участие в преноса на групи от атоми (АТФ - аденозинтрифосфатна киселина, въглехидратни фосфати, CoA - коензим А и др.)
3. Катализиращи реакции на синтез, разлагане и изомеризация на въглеродни връзки.
Механизмът на отстраняване от разтвора и последващата дисимилация на субстрата е много сложен и многоетапен по природа, взаимосвързани и последователни биохимични реакции, определени от вида на храненето и дишането на бактериите. Достатъчно е да се каже, че много аспекти на този механизъм все още не са напълно ясни, въпреки практическото му използване, както в областта на биотехнологиите, така и в областта на биохимичното пречистване на вода от органични примеси в широк спектър от технологични схеми.
Най-ранният модел на процеса на биохимично отстраняване и окисляване на замърсители се основава на три основни принципа: сорбционно отстраняване и натрупване на отстраненото вещество върху клетъчната повърхност; дифузионно движение през клетъчната мембрана или на самото вещество, или на продуктите от неговата хидролиза, или на хидрофобен комплекс, образуван от хидрофилно проникващо вещество и междинен протеин; метаболитна трансформация на хранителните вещества, влизащи в клетката, осигурявайки дифузно проникване на веществото в клетката.
В съответствие с този модел се смяташе, че процесът на отстраняване на хранителни вещества от водата започва с тяхната сорбция и натрупване върху клетъчната повърхност, което изисква постоянно смесване на биомасата със субстрата, осигурявайки благоприятни условия за „сблъсък“ на клетките с субстратни молекули.
Механизмът на пренасяне на вещество от повърхността на клетката в нея - този модел се обяснява или с прикрепването на проникващото вещество към специфичен протеин-носител, който е компонент на клетъчната мембрана, който след въвеждане на веществото в клетка, се освобождава и се връща на нейната повърхност, за да завърши ново „улавяне“ на веществото и нов цикъл на прехвърляне или чрез директно разтваряне на това вещество в веществото на стената и цитоплазмената мембрана, поради което то дифундира в клетката . Процесът на стабилна консумация на веществото започва едва след определен „период на равновесие“ на веществото между разтвора и клетките, което се обяснява с появата на хидролиза и дифузионното движение на веществото през клетъчната мембрана към цитоплазмената мембрана. , където са концентрирани различни ензими. С началото на метаболитните трансформации сорбционното равновесие се нарушава и градиентът на концентрацията осигурява непрекъснатост допълнителни приходисубстрат в клетката.
На третия етап се извършват всички метаболитни трансформации на субстрата, отчасти в такива крайни продукти като въглероден диоксид, вода, сулфати, нитрати (процесът на окисляване на органични вещества), отчасти в нови микробни клетки (процесът на синтез на биомаса), ако процесът на трансформация на органични съединения протича в аеробни условия. Ако биохимичното окисление протича при анаеробни условия, тогава в процеса му могат да се образуват различни междинни продукти (възможно за специфични цели), CH4, NH3, H2S и др., и нови клетки.
Този модел обаче не може да обясни някои от кинетичните особености на транспортните процеси на трансфер на субстрат и по-специално натрупването на субстрат в клетката срещу концентрационен градиент, който е най-честият резултат от тези процеси и се нарича " активен” транспорт, за разлика от дифузния транспорт. Характеристика на процесите на активен транспорт е тяхната стереоспецифичност, когато вещества, сходни по химична структура, се конкурират за общ носител, а не просто дифундират в клетката под въздействието на градиент на концентрация.
В светлината на съвременните възгледи моделът на движение на субстрата през клетъчната мембрана предполага наличието на хидрофилен „канал“ в него, през който хидрофилните субстрати могат да проникнат в клетката. Въпреки това, за разлика от описания по-горе модел, тук се появява стереоспецифично движение, вероятно постигнато поради прехвърлянето на „щафетна надпревара“ на субстратни молекули от една функционална група в друга. В този случай субстратът, подобно на ключ, отваря канала, подходящ за неговото проникване (модел на трансмембранен канал).
Вторият алтернативен модел може да се разглежда като комбинация от първите два, използвайки техните положителни свойства. Предполага наличието на хидрофобен мембранен транспортер, който чрез последователни конформационни промени, причинени от субстрата, го провежда от външната към вътрешната страна на мембраната (модел на конформационна транслокация), където хидрофобният комплекс се разпада. В тази интерпретация на механизма на транспортиране на субстрата през клетъчната мембрана, терминът "носител" все още се използва, въпреки че все повече се заменя с термина "пермеаза", който отчита генетичната основа на неговото кодиране като мембранен компонент на клетката с цел транспортиране на вещества в клетката.
Установено е, че мембранните транспортни системи често включват повече от един протеинов медиатор и може да има разделение на функциите между тях. „Свързващите“ протеини идентифицират субстрата в средата, доставят го и го концентрират върху външната повърхност на мембраната и го пренасят към „истинския“ транспортер, т.е. компонент, който транспортира субстрата през мембраната. Така са изолирани протеини, участващи в „разпознаването“, свързването и транспортирането на редица захари, карбоксилни киселини, аминокиселини и неорганични йони в клетките на бактерии, гъбички и животни.
Превръщането на процеса на прехвърляне на вещество в клетка в еднопосочен процес на „активен“ транспорт, водещ до увеличаване на съдържанието на хранителни вещества в клетката спрямо градиента на тяхната концентрация в околната среда, изисква определени енергийни разходи от клетката. Следователно процесите на прехвърляне на субстрата от околната среда в клетката са свързани с процесите на метаболитно освобождаване на енергия, съдържаща се в субстрата, протичаща вътре в клетката. Енергията в процеса на пренасяне на субстрата се изразходва за химическа модификация или на субстрата, или на самия носител, за да се елиминира или възпрепятства както взаимодействието на субстрата с носителя, така и връщането на субстрата чрез дифузия през мембраната обратно в разтвора .
Съвременните възгледи за процесите на биохимично отстраняване и окисление на органични съединения се основават на две основни положения на теорията на ензимната кинетика. Първата позиция постулира, че ензимът и субстратът взаимодействат помежду си, образувайки ензимно-субстратен комплекс, който в резултат на една или няколко трансформации води до появата на продукти, които намаляват бариерата за активиране на реакцията, катализирана от ензима. поради раздробяването му на множество междинни етапи, всеки от които не среща енергийни пречки за осъществяването му. Втората позиция гласи, че независимо от природата на съединенията и броя на етапите по време на ензимната реакция, катализирана от ензима, в края на процеса ензимът излиза непроменен и е в състояние да взаимодейства със следващата молекула на субстрата . С други думи, вече на етапа на отнемане на субстрата, клетката взаимодейства със субстрата, за да образува относително слаба връзка, наречена „комплекс ензим-субстрат“.
Горното е добре илюстрирано от примера за извличане на глюкоза от разтвор от различни микроорганизми, съдържащи ензима глюкозооксидаза в среда с молекулярен кислород. Глюкозооксидазата образува ензимно-субстратен комплекс - глюкоза - кислород - глюкозооксидаза, след разпадането на който се образуват междинни продукти - глюконолактон и водороден пероксид, както е показано схематично на фиг. 11.1.
Глюконолактонът, образуван в резултат на разграждането на този комплекс, претърпява хидролиза, за да се образува глюконова киселина.
Едно от най-важните свойства на ензимите е способността им да се синтезират в присъствието и под въздействието на определено вещество. Друго също толкова важно свойство е специфичността на действието на ензима както по отношение на реакцията, която катализира, така и по отношение на самия субстрат.
Понякога ензимът може да действа върху един единствен субстрат (абсолютна специфичност), но много по-често ензимът действа върху група субстрати, които са сходни в присъствието на определени атомни групи субстрати.
Ориз. 11.1. Схема на "разпознаване" на субстрат от ензим, образуване на ензимно-субстратен комплекс и катализа
Много ензими се характеризират със стереохимична специфичност, която се състои в това, че ензимът действа върху група субстрати (а понякога и върху един), които се различават от другите специално местоположениеатоми в космоса. Ролята на всеки ензим в процеса на биохимично окисляване на органични вещества е строго определена: той катализира или окислението (т.е. добавянето на кислород или елиминирането на водорода), или редукцията (т.е. добавянето на водород или елиминирането на кислород) на добре дефинирани химични съединения. По време на дехидрогенирането определен ензим може да отстрани само определени водородни атоми, които заемат определена пространствена позиция в молекулата на субстрата или междинния продукт. Същото важи и за ензимите, които катализират други метаболитни процеси.
Процесите на биохимично окисление в хетеротрофните микроорганизми се разделят на три групи в зависимост от това кой е крайният акцептор на водородни атоми или електрони, отделени от окисления субстрат. Ако акцепторът е кислород, тогава този процес се нарича клетъчно дишане или просто дишане; ако акцепторът на водород е органично вещество, тогава процесът на окисление се нарича ферментация; накрая, ако акцепторът на водород е неорганично вещество като нитрати, сулфати и т.н., тогава процесът се нарича анаеробно дишане или просто анаеробно.
Най-пълният процес е аеробното окисление, т.к неговите продукти са вещества, които не са способни на по-нататъшно разлагане в микробната клетка и не съдържат резерв от енергия, който може да бъде освободен при обикновени химични реакции. Основните от тези вещества, както вече беше отбелязано, са въглеродният диоксид (CO2) и водата (H20). Въпреки че и двете вещества съдържат кислород, химическият път на тяхното образуване в клетката може да е различен, тъй като въглеродният диоксид може да се произвежда в резултат на биохимични процеси, протичащи в среда без кислород под въздействието на ензими - декарбоксилази, които премахват CO2 от карбоксилната група (COOH) на киселината. Водата, в резултат на жизнената дейност на клетката, се образува изключително чрез свързване на кислорода във въздуха с водорода на тези органични вещества, от които се отделя в процеса на тяхното окисляване.
Аеробното разграждане на субстрата - въглехидрати, протеини, мазнини - е многоетапен процес, включващ първоначалното разграждане на сложно вещество, съдържащо въглерод, на по-прости субединици (например полизахариди - на прости захари; мазнини - на мастни киселини и глицерол ; протеини - в аминокиселини), които на свой ред претърпяват по-нататъшна последователна трансформация. В този случай достъпността на субстрата за окисление значително зависи от структурата на въглеродния скелет на молекулите (прав, разклонен, цикличен) и степента на окисление на въглеродните атоми. Захарите, особено хексозите, се считат за най-достъпни, следвани от поливалентните алкохоли (глицерол, манитол и др.) и карбоксилните киселини. Общият краен път, по който завършва аеробният метаболизъм на въглехидратите, мастните киселини и аминокиселините, е цикълът на трикарбоксилната киселина (TCA цикъл) или цикълът на Кребс, в който тези вещества влизат на един или друг етап. Отбелязва се, че при условия на аеробен метаболизъм около 90% от консумирания кислород се използва в дихателните пътища за производство на енергия от микробните клетки.
Ферментацията е процес на непълно разграждане на органични вещества, главно въглехидрати, при условия без кислород, което води до образуването на различни междинни частично окислени продукти, като алкохол, глицерин, мравчена, млечна, пропионова киселина, бутанол, ацетон, метан, и др., които се използват широко в биотехнологиите за получаване на целеви продукти. До 97% от органичния субстрат може да се превърне в такива странични продукти и метан.
Ензимното анаеробно разграждане на протеини и аминокиселини се нарича гниене.
Поради ниското отделяне на енергия по време на ферментативния тип метаболизъм, микробните клетки, които го осъществяват, трябва да консумират по-голямо количество субстрат (при по-малка дълбочина на разграждането му), отколкото клетките, които получават енергия чрез дишане, което обяснява по-ефективния растеж на клетките в аеробни условия в сравнение с анаеробни условия.
Клетката получава най-голямо количество енергия за своето функциониране в резултат на окисляването с кислород на водород, който се отцепва от окисления субстрат под действието на дехидрогеназни ензими, които според химичното си действие се делят на никотинамид (NAD). ) и флавин (FAD). Никотинамид дехидрогеназите са първите, които реагират със субстрата, като отнемат два водородни атома от него и ги добавят към коензима. В резултат на тази реакция субстратът се окислява и NAD се редуцира до NAD'H2. След това FAD реагира, прехвърляйки водород от коензима никотинамид към коензима флавин, в резултат на което NAD'H2 отново се окислява до NAD, а коензимът флавин се редуцира до FADH2. По-нататък чрез изключително важна група редокс ензими - цитохроми - водородът се прехвърля към молекулярен кислород, което завършва процеса на окисление с образуването на крайния продукт - вода.
При тази реакция се освобождава най-голямата част от енергията, съдържаща се в субстрата. Целият процес на аеробно окисление може да бъде представен от диаграмата на фиг. 11.2.
Енергията, освободена по време на микробното окисляване на дадено вещество, се натрупва от клетката с помощта на високоенергийни съединения. Универсалният енергиен запас в живите клетки е аденозинтрифосфорната киселина - АТФ (въпреки че има и други макроенергии).
Тази реакция на фосфорилиране, както се вижда от (11.9), изисква енергия, чийто източник в този случай е окислението. Следователно ADP фосфорилирането е тясно свързано с окислението и този процес се нарича окислително фосфорилиране. В процеса на окислително фосфорилиране, по време на окисляването например на една молекула глюкоза, се образуват 38 молекули АТФ, докато в етапа на гликолиза само 2. Трябва да се отбележи, че етапът на гликолиза протича точно по същия начин. както в аеробни, така и в анаеробни условия, т.е. преди образуването на пирогроздена киселина (PVA), а 2 от 4 образувани ATP молекули се изразходват за нейното възникване.
Пътищата за по-нататъшна трансформация на PVC при аеробни и анаеробни условия се различават.
Аеробната трансформация на глюкозата може да бъде представена чрез следната схема:
1. Гликолиза: SbH12Ob + 2FA-+2PVK + 2NADH2 + 4ATP (11.10)
2. Трансформация на пирогроздена киселина (PVA): 2PVA-*2C02 + 2 Acetyl CoA + 2NADH2
3. Цикъл на трикарбоксилната киселина (цикъл на Кребс): Ацетил CoA -> 4C02 + 6NADH2 + 2FADH2 + 2ATP (11.12) ECbH12Ob -> 6C02 + 10NADH2 + 2FADH2 + 4ATP (11.13), където FAD е флавопротеин.
Окисляването на NADH2 в електронната транспортна система произвежда ZATP at
1 mol; окислението на 2FADH2 произвежда 4ATP,
след това: SbN1206 + 602 -> 6C02 + 6H20 + 38ATP
В условията на анаеробна трансформация на въглехидратите, първата стъпка е фосфорилирането на глюкозата, извършвано с помощта на АТФ под въздействието на ензима хексокиназа, т.е.
Глюкоза + A TF-хексокиназа > глюкоза _ b – фосфат + ADP
След завършване на етапа на гликолиза и образуването на PVC, ходът на по-нататъшната трансформация на PVC зависи от вида на ферментацията и нейния причинител. Основните видове ферментация: алкохолна, млечнокисела, пропионово-кисела, масленокисела, метанова.
Окислителното фосфорилиране може да се осъществи и под въздействието на ензим, който синтезира АТФ на ниво субстрат. Това образуване на високоенергийни връзки обаче е много ограничено и в присъствието на кислород клетките синтезират по-голямата част от АТФ, който съдържат, чрез системата за транспорт на електрони.
Натрупването на вещество, освободено по време на процеса на дисимилация при аеробни или анаеробни условия с помощта на високоенергийни съединения (и предимно АТФ), позволява да се елиминира несъответствието между равномерността на процесите на освобождаване на химическа енергия от субстрата и неравномерността на процесите на неговото потребление, което е неизбежно в реалните условия на съществуване на клетката.
По опростен начин целият процес на разлагане на органични вещества по време на аеробни трансформации може да бъде представен чрез диаграмата, показана на фиг. 11.3. Диаграмата на анаеробните трансформации на PVC след етапа на гликолиза е представена на фиг. 11.4.
Изследванията установяват, че често видът на метаболизма зависи не толкова от наличието на кислород в околната среда, колкото от концентрацията на субстрата.
Това показва, че в зависимост от специфичните условия на работа на биомасата в околната среда могат едновременно да протичат както аеробни, така и анаеробни процеси на трансформация на органични съединения, чиято интензивност също ще зависи от концентрацията както на субстрата, така и на кислорода.
Тук трябва да се отбележи, че в индустриалната биотехнология чистите култури се използват за получаване на различни продукти от микробен произход (фуражна или хлебна мая, различни органични киселини, алкохоли, витамини, лекарства), т.е. често се селектират микроорганизми от един вид, при стриктно спазване на видовия състав, подходящи условия на хранене, температура, активна реакция на околната среда и др., като се изключва появата и развитието на други видове микроорганизми, които биха могли да доведат до отклонение в качество на получения продукт спрямо установените стандарти.
При третиране на отпадъчни води, съдържащи смес от различни химичен съставзамърсители, които понякога дори са много трудни за идентифициране чрез аналитични методи, биомасата, която извършва пречистването, също е смес или по-скоро общност различни видовемикроорганизми и протозои със сложни взаимоотношения между тях. Както видовият, така и количественият състав на биомасата от пречиствателните станции за отпадъчни води ще зависи от конкретния метод на биологично пречистване и условията за неговото прилагане.
Според изчисленията на някои експерти, когато концентрацията на разтворени органични замърсители, оценена по показателя BPKP0Ln, е до 1000 mg/l, използването на аеробни методи за почистване е най-изгодно. При концентрации на BPKPOLn от 1000 до 5000 mg/l икономическите показатели на аеробните и анаеробните методи ще бъдат почти еднакви. При концентрации над 5000 mg/l би било по-подходящо да се използват анаеробни методи. Необходимо е обаче да се вземе предвид не само концентрацията на замърсители, но и дебитът на отпадъчните води, както и фактът, че анаеробните методи водят до образуването на крайни продукти като метан, амоняк, сероводород и др. и не позволяват получаване на качество на пречистена вода, сравнимо с качеството на почистване с помощта на аеробни методи. Следователно при високи концентрации на замърсители се използва комбинация от анаеробни методи на първия етап (или първите етапи) на пречистване и аеробни методи на последния етап на пречистване. Трябва да се подчертае, че битовите и градските отпадъчни води, за разлика от промишлените отпадъчни води, не съдържат концентрации на замърсители, които оправдават използването на анаеробни методи, и следователно тези методи за пречистване не се обсъждат в тази глава.
Ориз. 11.3. Опростена диаграма на тристепенното разграждане на хранителните молекули (B. Alberte et al. 1986)
Ориз. 11.4. Превръщане на пирогроздена киселина от анаеробни микроорганизми в различни продукти
Биохимичните методи се използват за пречистване на битови и промишлени отпадъчни води от много разтворени органични и някои неорганични (сероводород, сулфиди, амоняк, нитрити и др.) вещества.
Процесът на пречистване на отпадъчни води от вредни вещества се основава на способността на микроорганизмите да използват тези вещества за хранене в процеса на живот - органичните вещества за микроорганизмите са източник на въглерод.
Отпадъчните води, изпратени за биохимично пречистване, се характеризират със стойности на БПК и ХПК.
БПК е биохимичната нужда от кислород или количеството кислород, използвано от микроорганизмите за окисляване на органични вещества (без да се включват процесите на нитрификация) за определен период от време (2, 5, 8, 10, 20 дни), в mg O2 на 1 литър . Например: БПК5 е биохимичната нужда от кислород за 5 дни, BPKP0Ln е общата биохимична нужда от кислород преди началото на процесите на нитрификация.
ХПК е химическото потребление на кислород, тоест количеството кислород, необходимо за окисляване на всички органични вещества, съдържащи се във водата. ХПК също се изразява в mg O2 на литър.
Известни аеробни и анаеробни методи за биохимично пречистване на отпадъчни води
Аеробен метод се основава на използването на аеробни групи организми, чиято жизнена дейност изисква постоянен приток на кислород и температура от 20-40 ° C. При промяна на кислородните и температурните условия съставът и броят на микроорганизмите се променят. При аеробното третиране микроорганизмите се култивират в активна утайка или биофилм.
Анаеробни методи почистването се извършва без достъп на кислород; Те се използват главно за неутрализиране на утайки.
Активната утайка се състои от живи организми и твърд субстрат. Живите организми са представени от групи от бактерии и единични бактерии, протозои, плесени, дрожди, актиномицети и по-рядко - ларви на насекоми, ракообразни, както и водорасли и др. Съобществото на всички живи организми, обитаващи утайките, се нарича биоценоза. Биоценозата на активната утайка е представена главно от дванадесет вида микроорганизми и протозои
Сухото вещество на активната утайка съдържа 70-90% органични и 30-10% неорганични вещества. Субстратът, който може да бъде до 40% в активната утайка, е твърда мъртва част от остатъци от водорасли и различни твърди остатъци. Към него се прикрепят организми от активна утайка.
Качеството на утайката се определя от скоростта на нейното утаяване и степента на пречистване на течността. Големите люспи се утаяват по-бързо от малките. Състоянието на утайката се характеризира с индекса на утайката, който е отношението на обема на утаената част от активната утайка към масата на изсушената утайка (в грамове) след утаяване в продължение на 30 минути. Измерване в cm3/g Колкото по-лошо се утаява утайката, толкова по-висок е индексът на утайката
Биофилмът расте върху пълнителя на биофилтъра1, той има вид на лигавично замърсяване с дебелина 1-3 mm или повече. Цветът му се променя с промени в състава на отпадъчните води от сивкаво-жълт до тъмнокафяв. Биофилмът се състои от бактерии, гъбички, дрожди и други организми.
За да се осъществи процесът на биохимично окисляване на органичните вещества в отпадъчните води, те трябва да попаднат в клетките на микроорганизмите. Веществата достигат до повърхността на клетките чрез конвективна и молекулярна дифузия, а в клетките чрез дифузия през полупропускливи цитоплазмени мембрани, възникващи в резултат на разликата в концентрациите на веществата в и извън клетката." По-голямата част от веществото обаче навлиза в клетките с помощта на специфичен протеин-носител се образува разтворим комплекс, който дифундира през мембраната, където се разпада, и протеинът-носител се включва в нов цикъл на пренасяне.
Основна роля в процеса на пречистване на отпадъчните води играят процесите на трансформация на веществата, протичащи в клетките на микроорганизмите. Тези процеси завършват с окисление на вещество с освобождаване на енергия и синтез на нови вещества с разход на енергия.
Вътре в клетките на микроорганизмите протича непрекъснат и много сложен процес на химични трансформации. Тече в строга последователност с висока скорост голямо числореакции. Скоростта на реакциите и тяхната последователност зависят от вида и съдържанието на ензимите, които действат като катализатори. Ензимите ускоряват само онези реакции, които протичат спонтанно, но с много ниска скорост.
Ензими(или ензими) са сложни протеинови съединения с молекулно тегло, достигащо стотици хиляди и милиони на единица.
Нитрификация и денитрификация . По време на пречистването на отпадъчните води процесите на нитрификация и денитрификация протичат под въздействието на нитрифициращи бактерии. Нитрифициращите бактерии окисляват азота на амониеви съединения, първо до нитрити и след това до нитрати. Този процес се нарича нитрификация и протича на два етапа. Това е последният етап от минерализацията на азотсъдържащите органични вещества. Наличието на нитратни йони в пречистените отпадъчни води е един от показателите за пълнотата на пречистването. Ф-ла
Под действието на денитрифициращи бактерии, свързаният кислород се отделя от нитритите и нитратите и отново се изразходва за окисляване на органични вещества. Този процес се нарича денитрификация. Условията за процеса на денитрификация са: наличие на органични вещества, нисък достъп на кислород, неутрална или слабо алкална реакция.
Денитрификацията е многоетапен процес и може да се случи с образуването на амоняк, молекулярен азот или азотни оксиди. По време на пречистването на отпадъчните води денитрификацията протича главно с образуването на азот (рядко се образува NH3-амоняк) Летя
Органичните азотсъдържащи съединения се разлагат и образуват амоняк. Например карбамидът (карбамид) се разлага по уравнението CO(NH2)2 + 2Н2О→ (NH4)2СО3=2NH3 + СО2 + Н2О
Разграждането на органичните съединения може да се случи чрез образуването на аминокиселини, които допълнително освобождават амоняк по време на различни процеси.
Биохимични методи за пречистване
Аеробните процеси на биохимично пречистване на отпадъчни води могат да се появят в естествени условия и изкуствени структури. Биохимичното пречистване се нарича пълно, ако БПК на пречистената вода е под 20 mg/l, и непълно, ако БПК е над 20 mg/l.
При естествени условия пречистването се извършва в полета за напояване, полета за филтриране и биологични езера. Изкуствени съоръжения - аеротенки и биофилтри различни дизайни. В изкуствените структури процесите на почистване протичат по-бързо, отколкото в естествени условия.
8.3.1 Биохимично третиране в природни условия
При естествени условия пречистването се извършва в полета за напояване, полета за филтриране и биологични езера.
Естествените пречиствателни съоръжения се използват предимно за пречистване на битови отпадъчни води с капацитет от 1 m3/ден. до 100 хил. м3/ден.
Ако на полето се отглеждат селскостопански култури, тогава такива земеделски полета след Биол са много добре ожънати и наторени. напоителни полета.Пречистването на отпадъчните води става под въздействието на почвената микрофлора (бактерии, актиномицети, дрожди, гъби, водорасли, протозои, безгръбначни), слънцето, въздуха и под въздействието на дейността на растенията
Ако на нивите не се отглеждат култури и те са предназначени само за биологично пречистване на отпадъчни води, тогава те се наричат филтърни полета. След биологично третиране земеделските напоителни полета се навлажняват и се използват за отглеждане на култури.
По време на процеса на биохимично пречистване на полетата, отпадъчните води се филтрират през слой суспендирана почва и в нея се задържат колоидни вещества, които с течение на времето образуват микробиологичен филм в порите на почвата разтворени в отпадъчни води. Кислородът, проникващ от въздуха в порите, окислява задържаните органични вещества, превръщайки ги в минерални съединения. Проникването на кислород в дълбоките слоеве на почвата е трудно, така че най-интензивното окисление се случва в горните слоеве на почвата (0,2-0,4 m) При липса на кислород в езерата започват да преобладават анаеробните процеси.
При използване на пречиствателни съоръжения с напоителни полета и целогодишно приемане на отпадъчни води със сезонно регулиране на подаването им, напояването се извършва само през вегетационния период, а през останалата част от годината отпадъчните води се вливат в резервоари за съхранение с капацитет, равен на шест месеца на потока отпадъчни води.
Биологични езера.Предназначени за биохимично пречистване и последващо пречистване на отпадъчни води в комбинация с други пречиствателни съоръжения. Те представляват каскада от езера, състоящи се от 3-5 степени, през които избистрени или биологично пречистени отпадъчни води протичат с ниска скорост.
Има езера с естествена и изкуствена аерация. Езерата с естествена аерация имат малка дълбочина (0,5-1 m), добре се нагряват от слънцето и са населени с водни организми.
Бактериите използват кислорода, отделен от водораслите по време на фотосинтезата, както и кислорода от въздуха, за да окисляват замърсителите. Водораслите от своя страна консумират CO2, фосфати и амонячен азот, отделен при биохимичното разграждане на органичните вещества.
През есента водоемите се изпразват. Веднъж на две до три години дъното се разорава и се засажда растителност.
Аеро танкове. Авиационните резервоари са стоманобетонни резервоари с правоъгълна форма, разделени с прегради на отделни коридори (дву-, три- и четири-коридорни). Процесът се развива, докато аерираната смес от вода и активна утайка тече през аерационния резервоар. Neo-ma аерация за насищане на водния стълб с O2 и добавяне на утайки в суспендирано състояние. Въз основа на структурата на потоците от отпадъчни води и връщане на активна утайка, аерационните резервоари са три вида:
1) аерационни резервоари - изместители;
2) аеротенки - миксери;
3) аерационни резервоари от междинен тип (фиг. 8.2).
В аерационни резервоари-изместители водата и утайката се подават в началото на конструкцията, а сместа се отстранява в края й. Аерационният резервоар има 1-4 коридора. Такива аерационни резервоари се използват за окисляване на води с ниска концентрация (обща БПК до 300 mg/l).
В аерационни резервоари-смесители водата и утайката се въвеждат равномерно по дългите страни на коридора на аерационния резервоар. Предназначени са за пречистване на концентрирани промишлени отпадъчни води (БПК общо до 1000 mg/l).
Ориз. 8.2. Схеми на аерационни резервоари с различни структури на потока
отпадъчни води и обратна активна утайка: а - аерационен резервоар-изместител; b - смесител за аерационен резервоар; c - междинен тип аерационен резервоар с разпръснато подаване на отпадъчни води
В аерационни резервоари с разпръснато подаване на отпадъчни води, те се подават в няколко точки по дължината на аерационния резервоар и се изпускат от крайната част. Обратната утайка се подава изцяло към началото на аерационния резервоар. Тези устройства заемат междинна позиция между аерационни резервоари-изместители и аерационни резервоари-смесители
Времето на престой на пречистените отпадъчни води в аеротенка е 6-12 (24) часа. През това време масата от органични замърсители се преработва от биоценозата на активната утайка. От аерационния резервоар сместа от пречистени отпадъчни води и активна утайка навлиза във вторичния утаителен резервоар, където активната утайка се утаява на дъното на утаителния резервоар, след което се изхвърля в резервоара помпена станция, а пречистените отпадъчни води се подават или за допълнително пречистване, или за неутрализация. В процеса на биологично окисление се увеличава биомасата на активната утайка. Излишните утайки се отстраняват от системата към съоръженията за третиране на утайки. Основната част под формата на циркулираща активна утайка се връща в аерационния резервоар. Комплекси от пречиствателни съоръжения, които включват аерационни резервоари, имат капацитет от няколко десетки кубични метра отпадъчни води на ден до 2-3 милиона m3 / ден.
Биофилтри.Използват се за потребление на битови и промишлени отпадъчни води до 20-30 хил. me/ден. Биофилтърът е резервоар с кръгла или правоъгълна форма, който се пълни със зареждащ материал. В BF st водата се филтрира през зареждащ слой. Ръбовете са покрити с филм от микроорганизми. Използва се като зареждане различни материалис висока порьозност, ниска плътност и голяма специфична повърхност. Товарният материал се поддържа от решетъчно дъно. В зависимост от вида на зареждащия материал, биофилтрите се разделят на две категории.
След като отпадъчните води преминат през устройства за механично и физико-химично пречистване, преди да бъдат заустени в резервоар, те се подлагат на биохимично пречистване, състоящ се в окисляване на органични замърсители от микроорганизми.
За да се осигури нормалното функциониране на микроорганизмите, са необходими не само органични вещества, но и биогенни елементи, като азот, калций, флуор, хлор и др. Източниците на хранителни вещества са предимно битови отпадъчни води. Оптималното количество битови отпадъчни води за разреждане на промишлени отпадъчни води, съдържащи масло, зависи от състава на промишлените отпадъчни води и се определя експериментално във всеки конкретен случай. Нерегламентираното използване на битови отпадъчни води може да доведе до деградация, т.е. до отслабване на микрофлората, адаптирана към тези замърсители.
Критерият за пригодност на методите на биохимично окисление за неутрализиране на органични замърсители в отпадъчните води е биохимичен показател, дефиниран като съотношението на общата биохимична потребност от кислород (БПК p) към химическата потребност от кислород (ХПК).
БПК е количеството кислород, необходимо за окисляването на органични вещества в резултат на аеробни биохимични процеси, протичащи във водата. Например БПК 20 съответства на продължителност на процеса от 15...20 дни, БПК 5 съответства на петдневна консумация. БПК се използва за текущ мониторинг на работещи пречиствателни съоръжения.
Стойността на COD изразява количеството кислород, необходимо за окисляване на всички въглерод-съдържащи съединения.
Биохимичното окисление се извършва както в естествени условия на филтрационни полета, напоителни полета, биологични езера, така и в изкуствено създадени условия.
Биологичното пречистване на отпадъчни води в изкуствени съоръжения се извършва в биологични филтри, аерационни резервоари и кислородни резервоари.
На фиг. Фигура 26 показва диаграма на биологичен филтър с принудително подаване на въздух. Източникът на отпадъчни води влиза във филтъра 2 през тръбопровод 3 и се разпръсква равномерно върху зоната на филтъра чрез водоразпределителни устройства 4. При напръскване отпадъчните води абсорбират част от кислорода във въздуха. В процес на филтриране чрез зареждане 5, който се използва, например, шлака, натрошен камък, експандирана глина, пластмаса, чакъл, върху товарния материал се образува биологичен филм, чиито микроорганизми абсорбират органични вещества. Интензивността на окисляване на органичните примеси във филма се увеличава значително, когато сгъстен въздух се подава през тръбопровод 1 и опорна решетка 6 в посока, обратна на филтрирането. Водата, пречистена от органични примеси, се отстранява от филтъра през тръбопровод 7.
Поради наличието на хидравлични уплътнения, които уплътняват палетното пространство, инжектираният въздух може да излезе само през зареждащия слой, в резултат на което биофилмът се насища с кислород от въздуха.
Ориз. 26. Диаграма на биологичен филтър
В процеса на окисляване на замърсителите се образува нов филм и умира старият, който се откъсва от товарната повърхност от движещата се вода и се изнася от биофилтъра. За задържането му след биофилтрите се монтират утаители.
Основата аерационни резервоариразчита на дейността на микроорганизми, живеещи в естествени водоеми, т.е. активна утайка (АС). Аеротенките се разделят на аерационни резервоари със и без регенерация на активна утайка, аерационни резервоари-смесители, аерационни резервоари-изместители и аерационни резервоари-утаители.
Биохимичен показател
Влиянието на различни фактори върху скоростта
Биохимично окисляване
Скоростта на окисляване зависи от концентрацията на органични вещества, равномерността на потока на отпадъчните води за пречистване и съдържанието на примеси в тях. За дадена степен на пречистване основните фактори, влияещи върху скоростта на биохимичните реакции, са концентрацията на потока, съдържанието на кислород в отпадъчните води, температурата и pH на околната среда, съдържанието на хранителни вещества, както и на тежки метали и минерали. соли.
Турбулизирането на отпадъчните води в пречиствателните станции спомага за увеличаване на скоростта на пречистване. Турбулизирането на потока се постига чрез интензивно смесване, при което активната утайка е в суспензия, което осигурява равномерното й разпределение в отпадъчните води.
Най-важното свойство на активната утайка е нейната способност да се утаява. Свойството на утаяване се описва със стойността на индекса на утайката, който е обемът в ml, зает от 1 g утайка в естественото й състояние след 30 минути утаяване. Лошата седиментируемост на утайките води до повишено отстраняване с пречистена вода и влошаване на качеството на пречистване. Дозата активна утайка зависи от индекса на утайката.
За почистване трябва да се използва прясна активна утайка, която се утаява добре и е по-устойчива на колебания в температурата и pH на околната среда.
Установено е, че с повишаване на температурата на отпадъчните води се увеличава скоростта на биохимичната реакция. На практика обаче се поддържа в рамките на 20-30 °C. Превишаването на определената температура може да доведе до смърт на микроорганизми. При по-ниски температури степента на пречистване намалява, процесът на адаптиране на микробите към нови видове замърсяване се забавя и процесите на нитрификация, флокулация и утаяване на активната утайка се влошават. Повишаването на температурата в оптимални граници ускорява процеса на разграждане на органичните вещества 2-3 пъти. Тъй като температурата на отпадъчните води се повишава, разтворимостта на кислорода намалява, следователно, за да се поддържа необходимата концентрация във водата, е необходима по-интензивна аерация.
Активната утайка е способна да сорбира соли на тежки метали . В същото време биохимичната активност на утайката намалява и възниква подуване поради интензивното развитие на нишковидни форми на бактерии.
Увеличаването на съдържанието на минерални вещества в отпадъчните води над допустимите концентрации също може да има отрицателно въздействие върху степента на пречистване.
Преносът на кислород от газовата фаза към клетките на микроорганизмите се извършва на два етапа. На първия етап кислородът се пренася от въздушните мехурчета в обема на течността; на втория абсорбираният кислород се прехвърля от обема на течността в клетките на микроорганизмите, главно под въздействието на турбулентни пулсации.
Количеството абсорбиран кислород може да се изчисли с помощта на уравнението за пренос на маса:
където M е количеството абсорбиран кислород, kg/s; β V - обемен коефициент на масопреминаване, s -1; V – обем на отпадъчните води в конструкцията, m3;
с р, с – равновесна концентрация и концентрация на кислород в обема на течността, kg/m3.
Въз основа на уравнението за пренос на маса, количеството абсорбиран кислород може да се увеличи чрез увеличаване на коефициента на пренос на маса или движещата сила. Възможни са промени в движещата сила в резултат на увеличаване на съдържанието на кислород във въздуха, намаляване на работната концентрация или повишаване на налягането на процеса на абсорбция. Всички тези начини обаче са или икономически неизгодни, или не водят до значително увеличаване на интензивността на процеса.
Най-надеждният начин за увеличаване на подаването на кислород към отпадъчните води е увеличаването на обемния коефициент на масопренос.
За успешното протичане на биохимичните окислителни реакции е необходимо наличието на съединения в отпадъчните води хранителни веществаИ микроелементи: N, S, P, K, Mg, Ca, Na, C1, Fe, Mn, Mo, Ni, Co, Zn, Cu и др. Сред тези елементи основните са N, P и K, които трябва да присъстват при биохимично пречистване необходимите количества. Съдържанието на други елементи не е стандартизирано, тъй като има достатъчно от тях в отпадъчните води.
Липсата на азот възпрепятства окисляването на органичните замърсители и води до образуването на утайки, които трудно се утаяват. Липсата на фосфор води до развитие на нишковидни бактерии, което е основната причина за набъбване на активната утайка, лошо утаяване и отстраняване от пречиствателните съоръжения, по-бавен растеж на утайката и намаляване на интензивността на окисление. Биогенните елементи се усвояват най-добре под формата на съединения, в които се намират в микробните клетки: азот - под формата на амониева група NH 4 + и фосфор - под формата на соли на фосфорни киселини.
При липса на азот, фосфор и калий в отпадъчните води се въвеждат различни азотни, фосфорни и калиеви торове. Съответните съединения на азот, фосфор и калий се съдържат в битовите отпадъчни води, така че когато се третират заедно с промишлени отпадъчни води, не е необходимо да се добавят хранителни вещества.
Проекти на аеротанки
IN аерационен резервоар-утаител(фиг. 17) зоната на аерация е отделена от зоната на утаяване. Отпадъчните води се подават в центъра и се изпускат през тава 1. В утаителната зона се образува слой от суспендирана активна утайка, през която се филтрира отпадъчната вода. Излишната активна утайка се отстранява от зоната на суспендирания слой чрез тръби, а връщащата се утайка влиза в зоната на аериране.
Ориз. 17. Аеротенк-утаител: 1 – тава; 2 –
Различно е аерационен резервоар-утаител(фиг. 18). Отпадъчните води влизат в зоната на аериране, където се смесват с активна утайка и се аерират. След това сместа се изпраща през прозорци 1 към зоната за избистряне и зоната за дегазиране. В зоната за избистряне се появява суспендиран слой от активна утайка, през който се филтрира утайковата смес. Пречистената вода влиза в тавите и се отстранява от аерационния резервоар.
Ориз. 18. Аеротенк-утаител: 1 –
За интензифициране на процеса на биохимично третиране се предлага отпадъчните води да се третират преди аеротенка с окислители (озон), за да се намали ХПК. За тази цел е разработен процес за пречистване на отпадъчни води в дълбоки мини. Монтират вертикални тръби, които стигат почти до дъното на шахтата. Отпадъчните води се подават през тръби едновременно с въздуха. Под въздействието на високо хидростатично налягане атмосферният кислород е почти напълно разтворен в отпадъчните води. В същото време се увеличава степента на използването му от микроорганизми. Сместа от утайки се издига нагоре през щрангова тръба и след дегазиране навлиза в резервоара за утаяване. Пречиствателната станция заема малка площ. При работата му не се отделят миризми и се постига висока степен на пречистване.
Третиране на утайки
По време на процеса на биохимично третиране в първичните и вторичните утаители се образуват големи маси от утайки, които трябва да бъдат изхвърлени или преработени, за да се намали замърсяването на биосферата. Утайките от отпадъчни води могат да бъдат главно минерален състав, предимно органични и смесени. Те се характеризират със съдържание на сухо вещество, съдържание на безпепелно вещество, елементен състав и гранулометричен състав.
Във вторичните утаители утайката съдържа предимно излишна активна утайка, чийто обем е 1,5-2 пъти по-голям от обема на утайката от първичния утаител. Седиментите съдържат свободни и свързана вода, свободната вода (60-65%) може лесно да бъде отстранена от утайката, свързаната вода (30-35%) е колоидно свързана и хигроскопична, отстраняването на която е трудно.
За третиране и неутрализиране на утайки, различни технологични процеси, представена на фиг. 20.
Уплътняването на активната утайка е свързано с отстраняване на свободната влага и е необходим етап във всички технологични схеми за обработка на утайки. По време на уплътняването се отстранява средно 60% влага и масата на утайката се намалява 2,5 пъти. За уплътняване се използват гравитационни, флотационни, центробежни и вибрационни методи.
Процесът на стабилизиране на седимента се извършва, за да се разгради биоразградимата част от органичната материя на въглероден диоксид, метан и вода. Стабилизирането се извършва чрез изплакване на микроорганизми при анаеробни и аеробни условия.
Ориз. 20. Схеми на процесите за третиране на утайки
Кондиционирането на седиментите се извършва, за да се намали съпротивлението и да се подобри добива на вода поради промените във формите на водно свързване. Кондиционирането се извършва с помощта на реагентни и нереагентни методи. Когато утайката се третира с реагенти, настъпва коагулация с разкъсване на обвивките на разтворителя и се подобряват водоотделящите свойства.
Безреагентните методи за обработка включват термична обработка, замразяване, последвано от утаяване, окисление в течна фаза, електрокоагулация и радиационно облъчване.
Термична обработка на утайките се извършва в случай на подготовката им за възстановяване. Сушенето на утайките се извършва в сушилни с различни конструкции.
Биохимично пречистване на отпадъчни води
Отпадъчните води, които са преминали през физическо и химическо третиране, все още съдържат доста голямо количество разтворени и в някои случаи силно диспергирани органични замърсители. Поради това е препоръчително да се извърши допълнително пречистване на такива води чрез биохимичен метод.
Биохимичното третиране е възможно само за промишлени отпадъчни води, замърсени с вещества, които могат да бъдат окислени от микроорганизми. Използват се аеробни и анаеробни методи за биохимично пречистване на отпадъчни води. При аеробното третиране микроорганизмите се култивират в активна утайка или биофилм. Анаеробните методи за почистване се извършват без достъп на кислород; Те се използват главно за неутрализиране на утайки.
Сред бактериите в пречиствателните станции хетеротрофите и автотрофите съществуват едновременно и една или друга група се развива предимно в зависимост от условията на работа на системата.
Тези две групи бактерии се различават по връзката си с източника на въглеродно хранене. Хетеротрофите използват готови органични вещества като източник на въглерод и ги обработват за производство на енергия и клетъчна биосинтеза. Автотрофните организми консумират неорганичен въглерод за клетъчен синтез, а енергията се получава или чрез фотосинтеза, използвайки светлинна енергия, или чрез хемосинтеза чрез окисляване на определени неорганични съединения, например амоняк, нитрити, железни соли, сероводород, елементарна сяра и др.
Механизмът на биологично окисление при аеробни условия от хетеротрофни бактерии води до увеличаване на нова биомаса и освобождаване на CO 2, N 2, P:
органична материя + O 2 + N 2 + P → микроорганизми + CO 2 + H 2 O + биологично неокисляеми разтворени вещества
микроорганизми + O 2 → CO 2 + H 2 O + N + P + биологично неразрушима част от клетъчната материя.
Биологично неокисляващите се вещества остават в пречистените отпадъчни води, предимно в разтворено състояние, т.к. колоидните и неразтворените вещества се отстраняват от водата чрез сорбция.
Анаеробният процес на метанова ферментация протича по следната схема:
органични вещества + H 2 O → CH 4 + CO 2 + C 5 H 7 NO 2 + NH 4 + + HCO 3 –
Анаеробният процес на денитрификация протича на два етапа:
органична материя + NO 3 – → NO 2 – + CO 2 + H 2 O;
органична материя + NO 2 – → N 2 + CO 2 + H 2 O + OH – .
Изброените технологични схеми не изчерпват всички възможности на биоокислението, но са тези, които най-често се срещат в практиката на пречистване както на битови, така и на промишлени отпадъчни води.
Скоростта и пълнотата на биохимичните трансформации в процеса на пречистване на отпадъчните води се определят от условията на биохимично пречистване, създадени в аерационни структури - аерационни резервоари. Следните фактори оказват значително влияние върху ефективността на окислителните процеси: централизация и децентрализация на входа на пречистените отпадъчни води и връщащата се активна утайка, тип аератор, конструктивни характеристики на резервоарите за вторично утаяване. Проучване на кинетиката на окисление показа, че началният етап на процеса на окисление от момента на смесване на отпадъчни води с активна утайка през първите 20-40 минути аериране се характеризира с висока степен на окислителна активност на бактериите, която след това намалява експоненциално.
Основните фактори, влияещи върху интензивността на процеса, са следните:
· Оптимален баланс на въглеродни и азотни хранителни източници и технологичен режим, осигуряващ този баланс; наличие на хранителни вещества;
· Изключителна адаптивност на микроорганизмите към променящите се условия на живот;
· Симбиотичният характер на съществуването на микробни асоциации, което позволява образуването на активна утайка с повишени физиологични свойства.
За да се създаде специфична микрофлора, е необходимо да се доставят концентрирани отпадъчни води със стабилен състав в пречиствателните станции за дълго време. Това насърчава индукцията на ензими, променя типа на метаболизма на бактериалните клетки и консолидира придобитите характеристики по наследство. В резултат на това се образува активна утайка с повишени окислителни свойства, което води до повишаване на окислителната способност на съоръженията за биорафиниране. Специфичната микрофлора на активната утайка е в състояние да изравнява залповите емисии на отпадъчни води, характеризиращи се с високи концентрации на замърсители.
Биохимичен показател
Отпадъчните води, изпратени за биохимично пречистване, се характеризират със стойности на БПК и ХПК.
БПК е биохимичната нужда от кислород или количеството кислород, използвано в биохимичните процеси на окисляване на органични вещества (без да се включват процесите на нитрификация) за определен период от време (2, 5, 8, 10, 20 дни), в mg O 2 на 1 mg вещество. Например: БПК 5 - биохимична нужда от кислород за 5 дни. БПК n е общата биохимична нужда от кислород преди началото на процесите на нитрификация. COD е химическото търсене на кислород, т.е. количеството кислород, еквивалентно на количеството изразходван окислител, необходимо за окисляване на всички редуциращи агенти, съдържащи се във водата. ХПК също се изразява в mg O 2 на 1 mg вещество.
За неорганични вещества, които практически не се окисляват, също са установени максимални концентрации. При надвишаване на тези концентрации водата не може да бъде подложена на биохимично третиране.
Биоразградимостта на отпадъчните води се характеризира чрез биохимичен показател, който се разбира като отношение БПК/ХПК.
Биохимичният показател е параметър, необходим за изчисляване и работа на съоръжения за пречистване на промишлени отпадъчни води. Неговите стойности варират в широки граници за различните групи отпадъчни води. Промишлените отпадъчни води имат нисък биохимичен индекс (не повече от 0,3); битови отпадъчни води - над 0,5. Според биохимичния показател концентрация и токсичност на замърсителите производствените отпадъчни води се разделят на четири групи.
Първата група е с биохимичен показател над 0,2. Тази група включва например отпадъчни води от хранително-вкусовата промишленост (мая, нишесте, захар, пивоварни), директна дестилация на масло, синтетични мастни киселини, протеинови и витаминни концентрати и др. Органичните замърсители в тази група не са токсични за микробите.
Втората група има показател в диапазона 0,02-0,10. Тази група включва отпадъчни води от заводи за коксуване, азотни торове, кокс, шистов газ и сода. Тези води след механично пречистване могат да бъдат изпратени за биохимично окисляване.
Третата група е с показател 0,001-0,01. Това включва например отпадъчни води от процеси на сулфониране. хлориране, производство на масла и повърхностно активни вещества, заводи за сярна киселина, предприятия на черната металургия, тежко машиностроене и др. Тези води след механично и физико-химично локално пречистване могат да се изпращат за биохимично окисляване.
Четвъртата група е с показател под 0,001. Отпадъчните води в тази група съдържат предимно суспендирани частици. Тези води включват отпадъчни води от въглищни и рудообработващи фабрики и др. За тях се използват механични методи за пречистване.
Отпадъчните води от първа и втора група са относително постоянни по вид и поток на замърсители. След пречистване са приложими в системи за циркулационно водоснабдяване. Отпадъчните води от третата група се генерират периодично и се характеризират с променлива концентрация на замърсители, които са устойчиви на биохимично окисление. Те са замърсени с вещества, които са силно разтворими във вода. Тези води са неподходящи за оборотно водоснабдяване.
Тези методи се използват за пречистване на битови и промишлени отпадъчни води от много разтворени органични и някои неорганични (сероводород, амоняк, сулфиди, нитрити и др.) вещества. Процесът на пречистване се основава на способността на определени микроорганизми да използват определени вещества за хранене: органичните вещества за микроорганизмите са източник на въглерод. Микроорганизмите частично ги унищожават, превръщайки CO 2, H 2 O, нитратни и сулфатни йони и частично ги използват за образуване на собствена биомаса. Процесът на биохимично пречистване е естествен по своята същност, неговата същност е еднаква за процесите, протичащи както в естествените резервоари, така и в пречиствателните станции.
Биологичното окисление се извършва от общност от микроорганизми (биоценоза), включително много различни бактерии, протозои и по-високо организирани организми (водорасли, гъби) , свързани помежду си в един комплекс чрез сложни взаимоотношения. Тази общност се нарича активна утайка,съдържа от 106 до 1014 клетки на 1 g суха биомаса (около 3 g микроорганизми на 1 литър отпадъчна вода).
Известни са аеробни и анаеробни методи за биохимично пречистване на отпадъчни води.
Аеробен процес.За да се приложи, се използват групи микроорганизми, чийто живот изисква постоянен поток от кислород (2 mg0 2 /l), температура 20-30 ° C, pH 6,5-7,5, съотношение на хранителни вещества БПК: N: P не повече от 100 : 5: 1. Ограничението на метода е съдържанието на токсични вещества да не е по-високо от: тетраетил олово 0,001 mg/l, берилий, титан, Cr 6+ и съединения на въглероден окис 0,01 mg/l, бисмут, ванадий, кадмиеви и никелови съединения 0,1 mg/l, меден сулфат 0,2 mg/l, калиев цианид 2 mg/l.
Аеробното пречистване на отпадъчни води се извършва в специални съоръжения: биологични езера, аерационни резервоари, окситанкове, биофилтри.
Биологични езерапредназначени за биологично третиране и за последващо третиране на отпадъчни води в комбинация с други пречиствателни съоръжения. Те са направени под формата на каскада от езера, състоящи се от 3-5 стъпки. Процесът на пречистване на отпадъчни води се осъществява по следната схема: бактериите използват кислорода, отделен от водораслите по време на фотосинтезата, както и кислорода от въздуха, за да окисляват замърсителите. Водораслите, от своя страна, консумират въглероден окис, фосфати и амонячен азот, отделени по време на биохимичното разграждане на органичната материя. Следователно, за нормалната работа на езерата е необходимо да се поддържат оптимални стойности на pH и температура на отпадъчните води. Температурата трябва да бъде най-малко 6 °C, поради което езерата не се използват през зимата.
Има езера с естествена и изкуствена аерация. Дълбочината на езерата с естествена повърхностна аерация по правило не надвишава 1 m. При изкуствено аериране на езера с помощта на механични аератори или продухване на въздуха през водния стълб тяхната дълбочина се увеличава до 3 m. Използването на изкуствена аерация ускорява процесите на пречистване на водата . Трябва да се отбележат и недостатъците на езерата: ниска окислителна способност, сезонност на работа и необходимост от големи площи.
Конструкциите за изкуствено биологично третиране на базата на разположението на активната биомаса в тях могат да бъдат разделени на две групи:
Активната биомаса се суспендира в пречистените отпадъчни води (аеротенкове, окситанкове);
Активната биомаса е фиксирана върху неподвижен материал, а отпадъчните води текат около нея в тънък слой (биофилтри).
Аеро танковеПредставляват стоманобетонни резервоари с правоъгълна форма, разделени с прегради на отделни коридори.
За поддържане на активна утайка в суспензия, интензивно разбъркване и насищане на обработената смес с кислород на въздуха, различни аерационни системи (обикновено механични или пневматични) се монтират в аерационни резервоари. От резервоарите за аерация смес от пречистени отпадъчни води и активна утайка навлиза във вторичен утаителен резервоар, откъдето активната утайка, която се е утаила на дъното, се изхвърля в резервоара на помпената станция с помощта на специални устройства (помпи за утайки) и пречистената отпадъчните води се доставят или за допълнително пречистване, или се дезинфекцират.
За пневматична аерация на отпадъчни води може да се подава чист кислород вместо въздух. За такъв процес те използват oksitenki, малко по-различен по дизайн от аерационни резервоари. Окислителната способност на окситенките е 3 пъти по-висока от последната.
Биофилтрисе използват с дневна консумация на битови и промишлени отпадъчни води до 20-30 хиляди m 3 на ден. Биофилтрите са резервоари с кръгла или правоъгълна форма, които се пълнят със зареждащ материал. Въз основа на естеството на натоварване биофилтрите се разделят на две категории: с обемно и плоско натоварване. Обемният материал, състоящ се от чакъл, експандирана глина, шлака с размер на фракцията 15-80 mm, се запълва със слой с височина 2-4 m. Планарният материал е направен под формата на твърд (пръстен, тръбни елементи от пластмаса, керамика, метални) и меки (валцувани тъкани) блокове, които се монтират в тялото на биофилтъра в слой с дебелина 8 m.
Анаеробен процес.Тук биологичното окисление на органичните вещества се извършва в отсъствието на молекулярен кислород поради химически свързан кислород в съединения като сулфати, сулфити и карбонати. Процесът протича на два етапа: в първия етап се образуват органични киселини, във втория етап получените киселини се превръщат в метан и CO 2: органични съединения + 0 2 + киселинно образуващи бактерии -> летливи киселини + CH 4 + CO 2 + H, + нови клетки + други продукти - "летливи киселини + 0 2 + метанообразуващи бактерии -> CH 4 + C0 2 + нови клетки. Основният процес се извършва в биореактори Те преработват активна утайка и концентрирани отпадъчни води (обикновено БПК > 5000), съдържащи органични вещества, които се унищожават от анаеробни бактерии по време на метанова ферментация. Тази ферментация протича при естествени условия в блатата.
Основната цел на анаеробното пречистване е да се намали обемът на активната утайка или количеството на органичните вещества в отпадъчните води, произвеждайки метан (до 0,35 m 3 при нормални условия на 1 kg COD) и добре филтрираща се утайка без мирис. Утайките след филтриране могат да се използват като тор в растениевъдството (ако съдържанието на тежки метали в тях е под пределно допустимата концентрация). Газът, произведен в биореактора, съдържа до 75% (об.) метан (останалото е CO 2 и въздух) и се използва като гориво.
Биологичното пречистване на замърсените води може да се извърши в естествени условия, за което се използват специално подготвени терени ( напоителни полетаИ филтриране). В тези случаи почистващата сила на самата почва се използва за освобождаване на отпадъчните води от замърсители. Филтрирайки през почвения слой, водата оставя в себе си суспендирани, колоидни и разтворени примеси. Почвените микроорганизми окисляват органичните замърсители, превръщайки ги в прости минерални съединения - въглероден диоксид, вода, соли. Напоителните полета се използват едновременно за пречистване на отпадъчни води и отглеждане на зърнени и силажни култури, билки, зеленчуци, както и засаждане на храсти и дървета. Филтърните полета се използват само за пречистване на отпадъчни води.
