Биохимические (биологические) методы очистки. Биохимические основы методов биологической очистки сточных вод Станции очистки с анаэробным разложением

→ Очистка сточных вод

Биохимические основы методов биологической очистки сточных вод

Биологические методы очистки сточных вод основываются на естественных процессах жизнедеятельности гетеротрофных микроорганизмов. Микроорганизмы, как известно, обладают целым рядом особых свойств, из которых следует выделить три основных, широко используемых для целей очистки:
1. Способность потреблять в качестве источников питания самые разнообразные органические (и некоторые неорганические) соединения для получения энергии и обеспечения своего функционирования.

2. Во-вторых, это свойство быстро размножаться. В среднем число бактериальных клеток удваивается через каждые 30 мин. По утверждению проф. Н.П. Блинова, если бы микроорганизмы могли беспрепятственно размножаться, то при наличии достаточного питания и соответствующих условий за 5 – 7 дней масса только одного вида микроорганизмов заполнила бы бассейны всех морей и океанов. Этого, однако, не происходит как из-за ограниченности источников питания, так и благодаря сложившемуся природному экологическому равновесию.

3. Способность образовывать колонии и скопления, которые сравнительно легко можно отделить от очищенной воды после завершения процессов изъятия содержавшихся в ней загрязнений.

В живой микробиальной клетке непрерывно и одновременно протекают два процесса – распад молекул (катаболизм) и их синтез (анаболизм), составляющие в целом процесс обмена веществ – метаболизм. Иными словами, процессы деструкции потребляемых микроорганизмами органических соединений неразрывно связаны с процессами биосинтеза новых микробиальных клеток, различных промежуточных или конечных продуктов, на проведение которых расходуется энергия, получаемая микробиальной клеткой в результате потребления питательных веществ. Источником питания для гетеротрофных микроорганизмов являются углеводы, жиры, белки, спирты и т.д., которые могут расщепляться ими либо в аэробных, либо в анаэробных условиях. Значительная часть продуктов микробной трансформации может выделяться клеткой в окружающую среду или накапливаться в ней. Некоторые промежуточные продукты служат питательным резервом, который клетка использует после истощения основного питания.

Весь цикл взаимоотношений клетки с окружающей средой в процессе изъятия из нее и трансформации питательных веществ определяется и регулируется соответствующими ферментами. Ферменты локализуются в Цитоплазме и в различных субструктурах, встроенных в мембрану клетки, выделяются на поверхность клетки или в окружающую среду. Общее содержание ферментов в клетке достигает 40-60% от общего содержания в ней белка, а содержание каждого из ферментов может составлять от 0,1 до 5% от содержания белка. При этом в клетках может находиться свыше 1000 видов ферментов, а каждую биохимическую реакцию, осуществляемую клеткой, могут катализировать 50-100 молекул соответствующего фермента. Часть ферментов представляют собой сложные белки (протеиды), содержащие кроме белковой части (апофермента) небелковую часть (кофер-мент). Во многих случаях коферментами являются витамины, иногда -комплексы, содержащие ионы металлов.

Ферменты делятся на шесть классов по характеру реакций, катализирующих: окислительные и восстановительные процессы; перенос различных химических групп от одного субстрата к другому; гидролитическое расщепление химических связей субстратов; отщепление от субстрата химической группы или присоединение таковой; изменение в пределах субстрата; соединение молекул субстрата с использованием высокоэнергетических соединений.

Поскольку микробиальная клетка потребляет только растворенные в воде органические вещества, то проникновение в клетку нерастворимых в воде веществ, таких, например, как крахмал, белки, целлюлоза и др. возможно лишь после их соответствующей подготовки, для чего клетка выпускает в окружающую жидкость необходимые ферменты для гидролитического их расщепления на более простые субъединицы.

Коферменты определяют природу катализируемой реакции и по выполняемым функциям подразделяются на три группы:
1. Переносящие ионы водорода или электроны. Связаны с окислительно-восстановительными ферментами – оксидоредуктазами.
2. Участвующие в переносе групп атомов (АТФ – аденозинтрифос-форная кислота, фосфаты углеводов, СоА – коферменат А и др.)
3. Катализирующие реакции синтеза, распада и изомеризации углеродных связей.

Механизм изъятия из раствора и последующей диссимиляции субстрата носит весьма сложный и многоступенчатый характер взаимосвязанных и последовательных биохимических реакций, определяемых типом питания и дыхания бактерий. Достаточно сказать, что многие аспекты этого механизма не совсем ясны до сих пор, несмотря на его практическое использование, как в области биотехнологии, так и в области биохимической очистки воды от органических примесей в широком спектре схем его технологического оформления.

Наиболее ранняя модель процесса биохимического изъятия и окисления загрязнений основывалась на трех главных положениях: сорбционное изъятие и накопление изымаемого вещества на поверхности клетки; диффузионное перемещение через клеточную оболочку либо самого вещества, либо продуктов его гидролиза, либо гидрофобного комплекса образуемого гидрофильным проникающим веществом и белком-посредником; метаболическая трансформация поступивших внутрь клетки питательных веществ, обеспечивающая диффузионное проникновение вещества в клетку.

В соответствии с этой моделью считалось, что процесс изъятия питательных веществ из воды начинается с их сорбции и накопления на поверхности клетки, для чего требуется постоянное перемешивание биомассы с субстратом, обеспечивающее благоприятные условия для “столкновения”^ клеток с молекулами субстрата.

Механизм переноса вещества от поверхности клетки внутрь нее -эта модель объясняла либо присоединением проникающего вещества к специфическому белку-переносчику, являющемуся компонентом мембраны клетки, который после введения вещества внутрь клетки высвобождается и возвращается на ее поверхность для совершения нового “захвата” вещества и нового цикла переноса, либо непосредственным растворением этого вещества в веществе стенки и цитоплазматической мембраны, благодаря чему оно и диффундирует внутрь клетки. Процесс стабильного потребления вещества начинался лишь после некоторого “периода равновесия” вещества между раствором и клетками, объяснявшегося протеканием гидролиза и диффузионным перемещением вещества через клеточную оболочку до цитоплазматической мембраны, где сосредоточены различные ферменты. С началом метаболических превращений сорбционное равновесие нарушается, и концентрационный градиент обеспечивает непрерывность дальнейшего поступления субстрата в клетку.

На третьем же этапе происходят все метаболические превращения субстрата частично в такие конечные продукты, как диоксид углерода, вода, сульфаты, нитраты (процесс окисления органических веществ), частично в новые микробиальные клетки (процесс синтеза биомассы), если процесс трансформации органических соединений происходит в аэробных условиях. Если же биохимическое окисление протекает в анаэробных условиях, то в его процессе могут образовываться различные промежуточные продукты (возможно целевого назначения), СН4, NH3, H2S и пр. и новые клетки.

Эта модель, однако, не смогла объяснить некоторые кинетические особенности транспортных процессов переноса субстрата и, в частности, накопления субстрата в клетке против концентрационного градиента, являющегося наиболее частым результатом этих процессов и получившего название “активного” транспорта, в отличие от диффузионного переноса. Особенностью активных транспортных процессов является их стереоспе-Цифичность, когда близкие по химической структуре вещества конкурируют за общий переносчик, а не просто диффундируют в клетку под воздействием концентрационного градиента.

В свете современных взглядов модель перемещения субстрата через клеточную мембрану предполагает наличие в ней гидрофильного “канала”, через который внутрь клетки могут проникать гидрофильные субстраты. Однако в отличие от вышеописанной модели здесь осуществляется стереоспецифическое перемещение, достигаемое, вероятно, за счет “эстафетной” передачи молекул субстрата от одной функциональной группы к другой. Субстрат при этом, как ключ, открывает соответствующий для его проникновения канал (модель трансмембранного канала).

Вторая альтернативная модель может рассматриваться как комбинация первых двух с использованием их положительных свойств. В ней предполагается наличие гидрофобного мембранного переносчика, который путем последовательных конформационных изменений, вызываемых субстратом, проводит его с внешней на внутреннюю сторону мембраны (модель конформационной транслокации), где гидрофобный комплекс распадается. В данной интерпретации механизма транспорта субстрата через клеточную мембрану термин “переносчик” по-прежнему употребляется, хотя все чаще заменяется термином “пермеаза”, учитывающим генетическую основу его кодирования как мембранного компонента клетки для целей переноса вещества внутрь клетки.

Установлено, что в состав мембранных транспортных систем часто входит более одного белкового посредника и между ними может существовать разделение функций. “Связующие” белки идентифицируют субстрат в среде, подводят и концентрируют его на внешней поверхности мембраны и передают его “истинному” переносчику, т.е. компоненту, осуществляющему перенос субстрата через мембрану. Так, выделены белки, участвующие в “узнавании”, связывании и транспорте ряда Сахаров, карбоновых кислот, аминокислот и неорганических ионов в клетки бактерий, грибов, животных.

Превращение процесса переноса вещества в клетку в однонаправленный процесс “активного” транспорта, приводящий к повышению содержания питательных веществ в клетке против их концентрационного градиента в среде, требует от клетки определенных энергетических затрат. Поэтому процессы переноса субстрата из окружающей среды внутрь клетки сопряжены с протекающими внутри клетки процессами метаболического высвобождения заключенной в субстрате энергии. Энергия в процессе переноса субстрата расходуется на химическую модификацию либо субстрата, либо самого переносчика с тем, чтобы исключить или затруднить как взаимодействие субстрата с переносчиком, так и возврат субстрата диффузионным путем через мембрану обратно в раствор.

Современные воззрения на процессы биохимического изъятия и окисления органических соединений основываются на двух кардинальных положениях теории ферментативной кинетики. Первое положение постулирует, что фермент и субстрат вступают во взаимодействие друг с другом, образуя фермент-субстратный комплекс, который в результате одной или нескольких трансформаций приводит к появлению продуктов, снижающих барьер активации катализируемой ферментом реакции за счёт её дробления на ряд промежуточных этапов, каждый из которых не встречает энергетических препятствий для своего осуществления. Второе положение констатирует то, что независимо от характера соединений и количества этапов в ходе ферментативной реакции, катализируемой ферментом, в конце процесса фермент выходит в неизменном виде и способен вступать во взаимодействие со следующей молекулой субстрата. Иными словами, уже на этапе изъятия субстрата клетка взаимодействует с субстратом с образованием относительно, непрочного соединения, называемого “фермент-субстратным комплексом”.

Вышеуказанное хорошо иллюстрируется примером извлечения из раствора глюкозы различными микроорганизмами, содержащими фермент глюкозооксидазу в среде с молекулярным кислородом. Глюкозооксидаза образует фермент-субстратный комплекс – глюкоза – кислород – глюкозооксидаза, после распада которого образуются промежуточные продукты -глюконолактон и пероксид водорода, как это схематично показано на рис. 11.1.

Образовавшийся в результате распада указанного комплекса глюконолактон подвергается гидролизу с образованием глюконовой кислоты.

Одним из важнейших свойств ферментов является их способность синтезироваться при наличии и под воздействием определенного вещества. Другим не менее важным свойством является специфичность воздействия фермента как по отношению к катализируемой им реакции, так и по отношению к самому субстрату.

Иногда фермент способен воздействовать на один единственный субстрат (абсолютная специфичность), но значительно чаще фермент воздействует на группу схожих по наличию в них определенных атомных группировок субстратов.

Рис. 11.1. Схема “узнавания” ферментом субстрата, образования фермент-субстратного комплекса и катализ

Многим ферментам присуща стереохимическая специфичность, состоящая в том, что фермент воздействует на группу субстратов (а иногда на один), отличающихся от других особым расположением атомов в пространстве. Роль каждого фермента в процессе биохимического окисления органических веществ строго определенна: он катализирует либо окисление (т.е. присоединение кислорода или отщепление водорода), либо восстановление (т.е. присоединение водорода или отщепление кислорода) вполне определенных химических соединений. При дегидрировании тот или иной фермент может отщеплять лишь определенные атомы водорода, занимающие определенное пространственное положение в молекуле субстрата или промежуточного продукта. Сказанное относится и к ферментам, катализирующим другие метаболические процессы.

Процессы биохимического окисления у гетеротрофных микроорганизмов делят на три группы в зависимости от того, что является конечным акцептором водородных атомов или электронов, отщепляемых от окисляемого субстрата. Если акцептором является кислород, то этот процесс называют клеточным дыханием или просто дыханием; если акцептор водорода -органическое вещество, то процесс окисления называют брожением; наконец, если акцептором водорода является неорганическое вещество типа нитратов, сульфатов и пр., то процесс называют анаэробным дыханием, или просто анаэробным.

Наиболее полным является процесс аэробного окисления, т.к. его продукты – вещества, не способные к дальнейшему разложению в микро-биальной клетке и не содержащие запаса энергии, которая могла бы быть высвобождена обычными химическими реакциями. Главные из этих веществ, как уже отмечалось – диоксид углерода (С02) и вода (Н20). Хотя оба эти вещества содержат кислород, химический путь их образования в клетке может быть различным, поскольку диоксид углерода может получаться в результате биохимических процессов, протекающих в бескислородной среде под воздействием ферментов – декарбоксилаз, отщепляющих С02 от карбоксильной группы (СООН) кислоты. Вода же в результате жизнедеятельности клетки образуется исключительно путем соединения кислорода воздуха с водородом тех органических веществ, от которых он отщепляется в процессе их окисления.

Аэробная диссимиляция субстрата – углеводов, белков, жиров -носит характер многостадийного процесса, включающего первоначальное расщепление сложного углеродсодержащего вещества на более простые субъединицы (к примеру полисахариды – в простые сахара; жиры – в жирные кислоты и глицерол; белки – в аминокислоты), подвергающиеся, в свою очередь, дальнейшей последовательной трансформации. При этом доступность субстрата окислению существенно зависит от строения углеродного скелета молекул (прямой, разветвленный, циклический) и степени окисления углеродных атомов. Наиболее легко доступными считаются сахара, особенно гексозы, за ними следуют многоатомные спирты (глицерин, маннит и др.) и карбоновые кислоты. Общий конечный путь, которым завершается аэробный обмен углеводов, жирных кислот, аминокислот, – цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) или цикл Кребса, в который эти вещества вступают на том или ином этапе. Отмечается, что в условиях аэробного метаболизма около 90% потребляемого кислорода используется на дыхательный путь получения энергии клетками микроорганизмов.

Брожение является процессом неполного расщепления органических веществ, преимущественно углеводов в условиях без кислорода, в результате которого образуются различные промежуточные частично окисленные продукты, такие как спирт, глицерин, муравьиная, молочная, про-пионовая кислоты, бутанол, ацетон, метан и др., что широко используется в биотехнологии для получения целевых продуктов. До 97% органического сУбстрата может превращаться в такие побочные продукты и метан.

Ферментативное анаэробное расщепление белков и аминокислот называют гниением.

Из-за малого выхода энергии при бродильном типе метаболизма, осуществляющие его микробиальные клетки должны потреблять большее количество субстрата (при меньшей глубине его расщепления), чем клетки, получающие энергию за счет дыхания, что объясняет более эффективный рост клеток в аэробных условиях по сравнению с анаэробными.

Наибольшее количество энергии для своего функционирования клетка получает в результате окисления кислородом водорода, отщепляемого от окисляемого субстрата под действием ферментов-дегидрогеназ, которые по своему химическому действию делятся на никотинамидные (НАД) и флавиновые (ФАД). Никотинамидные дегидрогеназы первыми реагируют с субстратом, отщепляя от него два атома водорода и присоединяя их к коферменту. В результате этой реакции субстрат окисляется, а НАД восстанавливается до НАД‘Н2. Далее в реакцию вступает ФАД, перенося водород с никотинамидного кофермента на флавиновый, в результате чего НАД‘Н2 снова окисляется до НАД, а флавиновый – восстанавливается до ФАДН2. Далее через чрезвычайно важную группу окислительно-восстановительных ферментов-цитохромов – водород передается молекулярному кислороду, что и завершает процесс окисления с образованием окончательного продукта – воды.

В этой реакции и высвобождается наибольшая часть заключенной в субстрате энергии. Весь процесс аэробного окисления может быть представлен схемой рис. 11.2.

Высвобождающаяся в процессе микробиального окисления вещества энергия аккумулируется клеткой с помощью макроэргических соединений. Универсальным накопителем энергии в живых клетках является аденозинтрифосфорная кислота – АТФ (хотя имеются и другие магроэнерги).

Эта реакция фосфорилирования, как видно из (11.9) нуждается в энергии, источником которой в данном случае является окисление. Поэтому фосфорилирование АДФ тесно сопряжено с окислением, в связи чем этот процесс называют окислительным фосфорилированием. В процессе окислительного фосфорилирования при окислении, например, одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ, тогда как в стадии гликолиза -только 2. При этом следует отметить, что стадия гликолиза протекает совершенно одинаково и в аэробных, и в анаэробных условиях, т.е. до образования пировиноградной кислоты (ПВК), и на его протекание затрачиваются 2 из 4 образующихся молекул АТФ.

Пути дальнейшей трансформации ПВК в аэробных и в анаэробных условиях расходятся.

Аэробная трансформация глюкозы может быть представлена следующей схемой:
1. Гликолиз: СбН12Об + 2ФК-+2ПВК + 2НАДН2 + 4АТФ (11.10)
2. Трансформация пировиноградной кислоты (ПВК): 2ПВК-*2С02 + 2 Ацетил КоА + 2НАДН2
3. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса): Ацетил КоА -> 4С02 + 6НАДН2 + 2ФАДН2 + 2АТФ (11.12) ЕСбН12Об -> 6С02 + 10НАДН2 + 2ФАДН2 + 4АТФ (11.13) гДе ФАД – флавопротеид.

Окисление НАДН2 в системе переноса электронов дает ЗАТФ на
1 моль; окисление 2ФАДН2 дает 4АТФ,
тогда: СбН1206 + 602 -> 6С02 + 6Н20 + 38АТФ

В условиях анаэробного превращения углеводов первым этапом является фосфорилирование глюкозы, осуществляемое с помощью АТФ под воздействием фермента гексокиназы, т.е.
Глюкоза + А ТФ -гексокиназа > глюкозо _ б – фосфат + АДФ
После завершения стадии гликолиза и образования ПВК ход дальнейшего превращения ПВК зависит от типа брожения и его возбудителя. Основные типы брожения: спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, маслянокислое, метановое.

Окислительное фосфорилирование может осуществляться и под воздействием фермента, синтезирующего АТФ на уровне субстрата. Однако, такое образование макроэргических связей носит весьма ограниченный характер, и в присутствии кислорода клетки синтезируют большую часть содержащейся в них АТФ через систему переноса электронов.

Аккумуляция высвобождающейся в процессе диссимиляции вещества в аэробных или анаэробных условиях с помощью макроэргических соединений (и прежде всего АТФ) позволяет устранить несоответствие между равномерностью процессов высвобождения химической энергии из субстрата и неравномерностью процессов ее расходования, неизбежной в реальных условиях существования клетки.

Упрощенно весь процесс распада органических веществ в ходе аэробных превращений может быть представлен схемой, приведенной на рис. 11.3. Схема же анаэробных превращений ПВК после стадии гликолиза представлена на рис. 11.4.

Исследованиями установлено, что зачастую тип метаболизма зависит не столько от наличия кислорода в среде, сколько от концентрации субстрата.

Это указывает на то, что в зависимости от конкретных условий функционирования биомассы в среде могут одновременно протекать как аэробные, так и анаэробные процессы трансформации органических соединений, интенсивность которых также будет зависеть от концентрации и субстрата и кислорода.

Здесь следует отметить, что в промышленной биотехнологии для получения различных продуктов микробиального происхождения (кормовых или пекарских дрожжей, различных органических кислот, спиртов, витаминов, лекарственных препаратов) используются чистые культуры, т.е. микроорганизмы одного вида зачастую селекционируемые, со строгим поддержанием видового состава, соответствующих условий питания, температуры, активной реакции среды и пр., исключающих появление и развитие других видов микроорганизмов, что могло бы привести к отклонению качества получаемого продукта от установленных стандартов.

При очистке же сточных вод, содержащих смесь разнообразных по химическому составу загрязнений, которые иногда даже весьма трудно идентифицировать аналитическими методами, биомасса, осуществляющая очистку, также представляет собой смесь, а точнее, сообщество различных видов микроорганизмов и простейших со сложными между ними отношениями. Как видовой, так и количественный состав биомассы очистных сооружений будет зависеть от конкретного метода биологической очистки и условий его реализации.

По расчетам некоторых специалистов, при концентрации растворенных органических загрязнений, оцениваемых показателем БПКП0Лн, до 1000 мг/л наиболее выгодно применение аэробных методов очистки. При концентрациях БПКПОЛн от 1000 до 5000 мг/л экономические показатели аэробных и анаэробных методов будут практически одинаковыми. При концентрациях же свыше 5000 мг/л более целесообразным будет применение анаэробных методов. Однако, при этом следует принимать во внимание не только концентрацию загрязнений, но и расходы сточных вод, а также тот факт, что анаэробные методы приводят к образованию таких конечных продуктов, как метан, аммиак, сероводород и др. и не позволяют получить качество очищенной воды, сопоставимое с качеством очистки аэробными методами. Поэтому при высоких концентрациях загрязнений применяется сочетание анаэробных методов на первой ступени (или первых ступенях) очистки и аэробных методов на последней ступени очистки. Следует подчеркнуть, что бытовые и городские сточные воды, в отличие от производственных, не содержат концентраций загрязнений, оправдывающих применение анаэробных методов, и потому эти методы очистки в данной главе не рассматриваются.

Рис. 11.3. Упрощенная схема трехстадийного распада молекул питательных веществ (Б. Альберте и др. 1986)

Рис. 11.4. Превращение пировиноградной кислоты анаэробными микроорганизмами в различные продукты

Биохимические методы применяют для очистки хозяйствен­но-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфи­дов, аммиака, нитритов и др.) веществ.

Процесс очистки сточных вод от вредных веществ основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности - органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.

Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризуются величиной БПК и ХПК.

БПК - это биохимическая потребность в кислороде или ко­личество кислорода, использованного микроорганизмами для окисления органических веществ (не включая процессы нитрифи­кации) за определенный промежуток времени (2, 5, 8,10, 20 сут.), в мг О2 на 1 литр. Например: БПК5 - биохимическая потребность в кислороде за 5 сут., БПКП0Лн- полная биохимическая потребность в кислороде до начала процессов нитрификации.

ХПК - химическая потребность в кислороде, то есть коли­чество кислорода, необходимого для окисления всех органиче­ских веществ, содержащихся в воде. ХПК также выражают в мг О2 на 1 литр.

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод

Аэробный метод основан на использовании аэробных групп организмов для жизнедеятельности которых необходимы посто­янный приток кислорода и температура 20-40 °С. При изменении кислородного и температурного режимов состав и число микроор­ганизмов меняются. При аэробной очистке микроорганизмы куль­тивируются в активном иле или биопленке.

Анаэробные методы очистки протекают без доступа кислоро­да; их используют, главным образом, для обезвреживания осадков.

Активный ил состоит из живых организмов и твердого суб­страта. Живые организмы представлены скоплениями бактерий ^и одиночными бактериями, простейшими червями, плесневыми гри­бами, дрожжами, актиномицетами и редко - личинками насекомых, рачков, а также водорослями и др. Сообщество всех живых орга­низмов, населяющих ил, называют биоценозом. Биоценоз активно­го ила в основном представлен двенадцатью видами микроорга­низмов и простейших

Сухое вещество активного ила содержит 70-90% органиче­ских и 30-10% неорганических веществ. Субстрат, которого в ак­тивном иле может быть до 40%, представляет собой твердую отмершую часть остатков водорослей и различных твердых остатков. К нему прикрепляются организмы активного ила.

Качество ила определяется скоростью его осаждения и сте­пенью очистки жидкости. Крупные хлопья оседают быстрее, чем мелкие. Состояние ила характеризует иловый индекс, который представляет собой отношение объема осаждаемой части актив­ного ила к массе высушенного осадка (в граммах) после отстаива­ния в течение 30 мин. Измер в см3/г Чем хуже оседает ил, тем более высокий иловый индекс он имеет

Биопленка растет на наполнителе биофильтра,1 она имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1-3 мм и более. Цвет ее ме­няется с изменением состава сточных вод от серовато-желтого до темно-коричневого. Биопленка состоит из бактерий, грибов, дрож­жей и других организмов.

Для того, чтобы происходил процесс биохимического окис­ления органических веществ, находящихся в сточных водах, они должны попасть внутрь клеток микроорганизмов. К поверхности клеток вещества поступают за рчет конвективной и молекулярной диффузии, а внутрь клеток - диффузией через полупроницаемые цитоплазматические мембрань^ возникающей вследствие разно­сти концентраций веществ в клетке и вне ее." Однако большая часть вещества попадает внутрь клеток при помощи специфиче­ского белка-переносчикаГ Образующийся растворимый комплекс вещество-переносчик диффундирует через мембрану в клетку, где он распадается, и белок-переносчик включается в новый цикл переноса.

Основную роль в процессе очистки сточных вод играют про­цессы превращения вещества, протекающие внутри клеток микро­организмов. Эти процессы заканчиваются окислением вещества с выделением энергии и синтезом новых веществ с затратой энергии.

Внутри клеток микроорганизмов происходит непрерывный и очень сложный процесс химических превращений. В строгой по­следовательности с большой скоростью протекает большое число реакций. Скорость реакций и их последовательность зависят от вида и содержания ферментов, которые выполняют роль катали­заторов. Ферменты ускоряют только те реакции, которые протека­ют самопроизвольно, но с очень малой скоростью.

Ферменты (или энзимы) представляют собой сложные белковые соединения с молекулярной массой, достигающей сотен ты­сяч и миллионов в ед.

Нитрификация и денитрификация . При очистке сточных вод под действием нитрифицирующих бактерий протекают про­цессы нитрификации и денитрификации. Нитрифицирующие бак­терии окисляют азот аммонийных соединений сначала до нитритов, а потом до нитратов. Этот процесс называется нитрификаци­ей и протекает в две стадии. Он является конечной стадией мине­рализации азотсодержащих органических веществ. Присутствие нитрат-ионов в очищенной сточной воде является одним из пока­зателей полноты очистки. Ф-ла

Под действием денитрифицирующих бактерий связанный кислород отщепляется от нитритов и нитратов и вновь расходует­ся на окисление органических веществ. Этот процесс называется денитрификацией. Условиями осуществления процесса денитрификации, являются: наличие органических веществ, небольшой доступ кислорода, нейтральная или слабощелочная реакция.

Денитрификация - процесс многостадийный и может проте­кать с образованием аммиака, молекулярного азота либо оксидов азота. При очистке сточных вод денитрификация протекает, глав­ным образом, с образованием азота (редко образуется NH3- аммиак) Ф-лы

Органические азотсодержащие соединения разлагаются с образованием аммиака. Например, карбамид (мочевина) разлага­ется по уравнению CO(NH2)2 + 2Н2О→ (NH4)2СО3=2NH3 + СО2 + Н2О

Разложение органических соединений может происходить через образование аминокислот, которые далее выделяют аммиак при протекании различных процессов.

Методы биохимической очистки

Аэробные процессы биохимической очистки сточных вод мо­гут протекать в природных (естественных) условиях и искуствен-ных сооружениях. Биохимическую очистку называют полной, если БПК очищенной воды составляет менее 20 мг/л, и неполной при БПК более 20 мг/л.

В естественных условиях очистка происходит на полях оро­шения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственные сооружения - аэротенки и биофильтры разной конструкции. В ис­кусственных сооружениях процессы очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.

8.3.1 Биохимическая очистка в природных условиях

В естественных условиях очистка происходит на полях оро­шения, полях фильтрации и биологических прудах.

Сооружения естественной очистки применяются в основном для очистки бытовых сточных вод Производительность от 1 м3/сут. до 100 тыс. м3/сут.

Если на полях выращ-ся с/х куль-ры, то такие земледель-е поля после Биол оч улавли-ся и удобр-ся- это поля орошения. Очистка сточных вод идет под дейст­вием почвенной микрофлоры (бактерии, актиномиценты, дрожжи, грибы, водоросли, простейшие, беспозвоночные), солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений

Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные культуры и они предназначены только для биологической очистки сточных вод, то они называются полями фильтрации . Земледель­ческие поля орошения после биологической очистки увлажняются и используются для выращивания сельскохозяйственных культур.

В процессе биохимической очистки на полях сточные воды фильтруются через слой почвы В ней задерживаются взвешенные и коллоидные вещества, которые со временем образуют в порах почвы микробиологическую пленку Образовавшаяся пленка ад­сорбирует коллоидные частицы и растворенные в сточных водах вещества. Проникающий из воздуха в поры кислород окисляет за­держанные органические вещества, превращая их в минеральные соединения. В глубокие слои почвы проникновение кислорода за­труднено, поэтому наиболее интенсивное окисление происходит в верхних слоях почвы (0,2-0,4 м) При недостатке кислорода в пру­дах начинают преобладать анаэробные процессы.

При применении очистных сооружений с полями орошения и круглогодичном приеме сточных вод с сезонным регулированием их подачи, полив осуществляется только в вегетационный период, а остальное время года сточные воды поступают в пруды-накопители вместимостью, равной шестимесячному расходу сточ­ных вод.

Биологические пруды. Предназначены для биохимической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очист­ными сооружениями Представляют собой каскад прудов, состоя­щий из 3-5 ступеней, через которые с небольшой скоростью проте­кает осветленная или биологически очищенная сточная вода.

Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Пруды с естественной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5-1 м), хорошо прогреваются солнцем и заселены водными организмами.

Бактерии используют для окисления загрязнений кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также ки­слород из воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют СО2, фосфаты, аммонийный азот, выделяемые при биохимическом разложении органических веществ.

Осенью пруды опорожняются. Один раз в два-три года про­изводится перепашка дна и посадка растительности.

Аэротенки . Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары, прямоугольные в плане, разделенные перегородками н отдельные коридоры (двух-, трех- и четырехкоридорные). Пр-с оч-ки идет по мере протекания ч/з аэротенк аэрированной смеси ст воды и актив ила. Аэрация нео-ма для насыщения ст воды О2 и для подд-я ила во взвеш-ом сост-ии. По структуре потоков сточной воды и возвратного активного ила аэро­тенки бывают трех типов:

1) аэротенки - вытеснители;

2) аэротенки - смесители;

3) аэротенки промежуточного типа (рис.8.2).

В аэротенках-вытеснителях воду и ил подают в начало со­оружения, а смесь отводят в конце его. Аэротенк имеет 1-4 кори­дора. Такие аэротенки применяют для окисления малоконцентри­рованных вод (БПК полн до 300 мг/л).

В аэротенках-смесителях воду и ил вводят равномерно вдоль длинных сторон коридора аэротенка. Они предназначены для очистки концентрированных производственных сточных вод (БПК полн до 1000 мг/л).

Рис. 8.2. Схемы аэротенков с различной структурой потоков

сточной воды и возвратного активного ила: а - аэротенк-вытеснитель; б - аэротенк-смеситель; в - аэротенк промежуточного типа с рассредоточенной подачей сточной воды

В аэротенках с рассредоточенной подачей сточной воды ее подают в нескольких точках по длине аэротенка, а отводят из торцевой части. Возвратный ил полностью подают в начало аэротенка. Эти аппараты занимают промежуточное положение между аэротенками-вытеснителями и аротенками-смесителями

Время нахождения в аэротенке обрабатываемой сточной воды составляет 6-12(24) ч. За это время масса органических за­грязнений перерабатывается биоценозом активного ила. Из аэро­тенка смесь обработанной сточной воды и активного ила посту­пает во вторичный отстойник, где активный ил оседает на дне от­стойника, затем отводится в резервуар насосной станции, а очи­щенная сточная вода поступает либо на дальнейшую доочистку, либо на обезвреживание. В процессе биологического окисления происходит прирост биомассы активного ила. Избыток ила выво­дится из системы в сооружения по обработке осадка. Основная часть в виде циркуляционного активного ила снова возвращается в аэротенк. Комплексы очистных сооружений, в состав которых входят аэротенки, имеют производительность от нескольких десятков кубических метров сточных вод в сутки до 2-3 млн. м3/сут.

Биофильтры. Применяются при расходах бытовых и произ­водственных сточных вод до 20-30 тыс. мэ/сут. Биофильтр пред­ставляет собой резервуар, круглый или прямоугольный в плане, который заполняется загрузочным материалом. В БФ ст вода фильт-ся ч/з слой загрузки. к-рая покрыта пленкой из микроорган-ов. В качестве загруз­ки используют различные материалы с высокой пористостью, ма- > лой плотностью и большой удельной поверхностью. Загрузочный материал поддерживается решетчатым днищем. По типу загрузоч­ного материала биофильтры делят на две категории.

После прохождения сточных вод через устройства механической и физико-химической очистки перед сбросом в водоем они подвергаются биохимической очистке, заключающейся в окислении органических загрязнений микроорганизмами.

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности микроорганизмов требуются не только органические вещества, но и биогенные элементы, такие как азот, кальций, фтор, хлор и др. Источниками биогенных элементов являются прежде всего бытовые сточные воды. Оптимальное количество бытовых сточных вод для разбавления нефтесодержаших производственных стоков зависит от состава производственных стоков и определяется в каждом конкретном случае экспериментально. Ненормированное использование бытовых стоков может привести к деградации, т.е. к ослаблению адаптированной к данным загрязнениям микрофлоры.

Критерием пригодности методов биохимического окисления для обезвреживания органических загрязнений в сточных водах является биохимический показатель, определяемый как отношение полной биохимической потребности в кислороде (БПК п) к химической потребности в кислороде (ХПК).

БПК – это количество кислорода, необходимое для окисления органических веществ в результате происходящих в воде аэробных биохимических процессов. Например БПК 20 соответствует длительности процесса 15...20 суток, БПК 5 – пятисуточному потреблению. БПК используется для текущего контроля эксплуатируемых очистных сооружений.

Показатель ХПК выражает количество кислорода, необходимое для окисления всех углердсодержащих соединений.

Биохимическое окисление проводят как в естественных условиях на полях фильтрации, орошения, биологических прудах, так и в искусственно созданных условиях.

Биологическая очистка сточных вод в искусственных сооружениях осуществляется в биологических фильтрах, аэротенках и окситенках.

На рис. 26 представлена схема биологического фильтра с принудительной подачей воздуха. Исходная сточная вода по трубопроводу 3поступает в фильтр 2и через водораспределительные устройства 4равномерно разбрызгивается по площади фильтра. При разбрызгивании сточная вода поглощает часть кислорода воздуха. В процессе фильтрования через загрузку 5, вкачестве которой используют, например, шлак, щебень, керамзит, пластмассу, гравий, на загрузочном материале образуется биологическая пленка, микроорганизмы которой поглощают органические вещества. Интенсивность окисления органических примесей в пленке существенно увеличивается при подаче сжатого воздуха через трубопровод 1 и опорную решетку 6 в направлении, противоположном фильтрованию. Очищенная от органических примесей вода выводится из фильтра через трубопровод 7.

Благодаря наличию гидравлических затворов, герметизирующих поддон-ное пространство, нагнетаемый воздух может выйти только через слой загруз-ки, вследствие чего происходит насыщение биопленки кислородом воздуха.

Рис. 26. Схема биологического фильтра

В процессе окисления загрязнений происходит образование новой пленки и отмирание старой, которая срывается с поверхности загрузки движущейся водой и выносится из биофильтра. Для ее задержания после биофильтров устраивают отстойники.

В основу аэротенков положена деятельность микроорганизмов, обитающих в природных водоемах, т.е. активного ила (АИ). Аэротенки подразделяются на аэротенки с регенерацией и без регенерации активного ила, аэротенки-смесители, аэротенки-вытеснители и аэротенки-отстойники.

Биохимический показатель

Влияние различных факторов на скорость

Биохимического окисления

Скорость окисления зависит от концентрации органических ве­ществ, равномерности поступления сточной воды на очистку и от содержания в ней примесей. При заданной степени очистки основ­ными факторами, влияющими на скорость биохимических реакций, являются концентрация потока, содержание кислорода в сточной воде, температура и рН среды, содержание биогенных элементов, а также тяжелых металлов и минеральных солей.

Турбулизация сточных вод в очистных сооружениях способству­ет повышению скорости очистки. Турбулизация потока достигается интенсивным перемешиванием, при котором активный ил находится во взвешенном состоянии, что обес­печивает равномерное распределение его в сточной воде.

Важнейшим свойством активного ила является его способность к оседанию. Свойство оседания описывается величиной илового индекса, представляющего собой объем в мл, занимаемый 1 г ила в его естественном состоянии после 30 мин отстаивания. Плохая оседаемость ила ведет к повышенному выносу его с очищенной водой и ухудшению качества очистки. Доза активного илазависит от илового индекса.

Для очистки следует применять свежий активный ил, который хорошо оседает и более устойчив к колебаниям температу­ры и рН среды.

Установлено, что с повышением температуры сточной водыско­рость биохимической реакции возрастает. Однако на практике ее поддерживают в пределах 20-30 °С. Превышение указанной температу­ры может привести к гибели микроорганизмов. При более низких температурах снижается скорость очистки, замедляется процесс адап­тации микробов к новым видам загрязнений, ухудшаются процессы нитрификации, флокуляции и осаждения активного ила. Повыше­ние температуры в оптимальных пределах ускоряет процесс разло­жения органических веществ в 2-3 раза. С увеличением температу­ры сточной воды уменьшается растворимость кислорода, поэтому для поддержания необходимой концентрации его в воде требуется производить более интенсивную аэрацию.

Активный ил способен сорбировать соли тяжелых металлов. При этом снижается биохимическая активность ила и происходит вспухание его из-за интенсивного развития нитчатых форм бакте­рий.

Отрицательное влияние на скорость очистки может оказать и по­вышение содержания минеральных веществ, находящихся в сточной воде, выше допустимых концентраций.

Перенос кислорода из газовой фазы к клеткам микроорганизмов происходит в два этапа. На первом этапе происходит перенос кисло­рода из воздушных пузырьков в основную массу жидкости, на вто­ром – перенос абсорбированного кислорода из основной массы жид­кости к клеткам микроорганизмов, главным образом, под действием турбулентных пульсаций.

Количество абсорбируемого кислорода может быть вычислено по уравнению массоотдачи:

где М – количество абсорбированного кислорода, кг/с; β V - объем­ный коэффициент массоотдачи, с -1 ; V – объем сточной воды в со­оружении, м 3 ;

с р, с – равновесная концентрация и концентрация кис­лорода в основной массе жидкости, кг/м 3 .

Исходя из уравнения массоотдачи, количество абсорбируемого кислорода может быть увеличено за счет роста коэффициента массоотдачи или движущей силы. Изменения движущей силы воз­можны в результате увеличения содержания кислорода в воздухе, уменьшения рабочей концентрации или повышения давления про­цесса абсорбции. Однако все эти пути или экономически невыгод­ны, или не приводят к значительному росту интенсивности процесса.

Наиболее надежный способ увеличения подачи кислорода в сточ­ную воду – это повышение объемного коэффициента массоотдачи.

Для успешного протекания реакций биохимического окисления необходимо присутствие в сточных водах соединений биогенных эле­ментов и микроэлементов: N, S, Р, К, Мg, Са, Nа, С1, Fе, Мn, Мо, Ni, Со, Zn, Сu и др. Среди этих элементов основными являются N, Р и К, которые при биохимической очистке должны присутствовать в необходимых количествах. Содержание остальных элементов не нор­мируется, так как их в сточных водах достаточно.

Недостаток азота тормозит окисление органических загрязните­лей и приводит к образованию трудно оседающего ила. Недостаток фосфора приводит к развитию нитчатых бактерий, что является ос­новной причиной вспуханий активного ила, плохого оседания и вы­носа его из очистных сооружений, замедления роста ила и снижения интенсивности окисления. Биогенные элементы лучше всего усваиваются в форме соединений, в которой они находятся в микробных клетках: азот – в форме аммонийной группы NН 4 + , а фосфор – в виде солей фосфорных кислот.

При нехватке азота, фосфора и калия в сточную воду вводят раз­личные азотные, фосфорные и калийные удобрения. Соответствую­щие соединения азота, фосфора и калия содержатся в бытовых сточ­ных водах, поэтому при их совместной очистке с промышленными стоками добавлять биогенные элементы не надо.

Конструкции аэротенков

В аэротенке-отстойнике (рис. 17) зона аэрации отделена от зоны отстаивания. Сточная вода подается в центре, а отводится по лотку 1. В зоне отстаивания образуется слой взвешенного активного ила, через который фильтруется сточная вода. Избыточный активный ил отводится из зоны взвешенного слоя по трубам, а возвратный ил поступает в зону аэрации.

Рис. 17. Аэротенк-отстойник: 1 – лоток; 2 –

Иначе устроен аэротенк-осветлитель (рис. 18). Сточная вода поступает в зону аэрации, где смешивается с активным илом и аэрируется. Затем смесь через окна 1 направляется в зону осветления и зону дегазации. В зоне осветления возникает взвешенный слой активного ила, через который фильтруется иловая смесь. Очищенная вода поступает в лотки и удаляется из аэротенка.

Рис. 18. Аэротенк-осветлитель: 1 –

Для интенсификации процесса биохимической очистки сточные воды перед аэротенком предлагается обрабатывать окислителями (озоном) с целью снижения ХПК. Для этой цели разработан процесс очистки сточных вод в глубоких шахтах. В них устанавливают вертикальные трубы, доходящие почти до дна шахты. Сточная вода подается по трубам одновременно с воздухом. Под действием высокого гидростатического давления кислород воздуха почти полностью растворяется в сточной воде. При этом степень его использования микроорганизмами увеличивается. Иловая смесь по подъемной трубе поднимается вверх, и после дегазации поступает в отстойник. Очистная установка занимает небольшую площадь. При ее работе отсутствует выделение запахов и достигается высокая степень очистки.

Обработка осадков

В процессе биохимической очистки в первичных и вторичных отстойниках образуются большие массы осадков, которые необходимо утилизировать или обрабатывать с целью уменьшения загрязнения биосферы. Осадки сточных вод могут быть в основном минерального состава, в основном органического состава и смешанные. Они характеризуются содержанием сухого вещества, содержанием беззольного вещества, элементным составом, гранулометрическим составом.

Во вторичных отстойниках в осадке находится в основном избыточный активный ил, объем которого в 1,5-2 раза больше, чем объем осадка из первичного отстойника. В осадках содержится свободная и связанная вода, свободная вода (60-65 %) может быть легко удалена из осадка, связанная вода (30-35 %) – коллоидно-связанная и гигроскопическая, удаление которой затруднено.

Для обработки и обезвреживания осадков используются различные технологические процессы, представленные на рис. 20.

Уплотнение активного ила связано с удалением свободной влаги и является необходимой стадией всех технологических схем обработки осадков. При уплотнении удаляется в среднем 60 % влаги и масса осадка сокращается в 2,5 раза. Для уплотнения используют гравитационный, флотационный, центробежный и вибрационный методы.

Процесс стабилизации осадков проводят для разрушения биологически разлагаемой части органического вещества на диоксид углерода, метан и воду. Стабилизацию ведут при полощи микроорганизмов в анаэробных и аэробных условиях.

Рис. 20. Схемы процессов обработки осадка

Кондиционирование осадков проводят для снижения удельного сопротивления и улучшения водоотдачи вследствие изменения форм связи воды. Кондиционирование проводят реагентными и безреагентными способами. При реагентной обработке осадка происходит коагуляция с разрывом сольвентных оболочек и улучшаются водоотдающие свойства.

К безреагентным методам обработки относятся тепловая обработка, замораживание с последующим отстаиванием, жидкофазное окисление, электрокоагуляция и радиационное облучение.

Термическую обработку осадков проводят в случае их подготовки к рекуперации. Сушку осадков проводят в сушилках различной конструкции.

Биохимическая очистка сточных вод

Сточные воды, прошедшие физико-химическую очистку, содержат еще достаточно большое количество растворенных, а в ряде случаев сильно диспергированных органических загрязнений. Поэтому дальнейшую очистку таких вод целесообразно проводить биохимическим методом.

Биохимическая очистка возможна только для производственных сточных вод, загрязненных веществами, которые могут быть окислены микроорганизмами. Используются аэробные и анаэробные методы биохимической очист­ки сточных вод. При аэробной очистке микроорганизмы куль­тивируются в активном иле или биопленке. Анаэробные методы очистки протекают без доступа кислорода; их используют, главным об­разом, для обезвреживания осадков.

Среди бактерий в очистных сооружениях сосуществуют гетеротрофы и автотрофы, причем преимущественное развитие получает та или иная группа в зависимости от условий работы системы.

Эти две группы бактерий различаются по своему отношению к источнику углеродного питания. Гетеротрофы используют в качестве источника углерода готовые органические вещества и перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза клетки. Автотрофные организмы потребляют для синтеза клетки неорганический углерод, а энергию получают либо за счет фотосинтеза, используя энергию света, либо за счет хемосинтеза путем окисления некоторых неорганических соединений, например, аммиака, нитритов, солей двухвалентного железа, сероводорода, элементарной серы и др.

Механизм биологического окисления в аэробных условиях гетеротрофными бактериями приводит к наращиванию новой биомассы и выделению CO 2 , N 2 , P:

органические вещества + O 2 + N 2 + P → микроорганизмы + СO 2 + H 2 O + биологически неокисляемые растворенные вещества

микроорганизмы + O 2 → CO 2 + H 2 O + N + P + биологически неразрушаемая часть клеточного вещества.

В очищенном стоке остаются биологически неокисляемые вещества, преимущественно в растворенном состоянии, т.к. коллоидные и нерастворенные вещества удаляются из воды методом сорбции.

Анаэробный процесс метановой ферментации происходит по следующей схеме:

органические вещества + H 2 O → CH 4 + CO 2 + C 5 H 7 NO 2 + NH 4 + + HCO 3 –

Анаэробный процесс денитрификации происходит в две стадии:

органическое вещество + NO 3 – → NO 2 – + CO 2 + H 2 O;

органическое вещество + NO 2 – → N 2 + CO 2 + H 2 O + OH – .

Перечисленные схемы процессов далеко не исчерпывают всех возможностей биоокисления, но именно они наиболее часто встречаются в практике очистки как городских, так и производственных сточных вод.

Скорость и полнота биохимических превращений в процессе очистки сточных вод определяются условиями биохимической очистки, создаваемыми в аэрационных сооружениях – аэротенках. Существенное влияние на эффективность окислительных процессов оказывают следующие факторы: централизация и децентрализация впуска очищаемых сточных вод и возвратного активного ила, тип аэратора, конструктивные особенности вторичных отстойников. Исследование кинетики окисления показало, что начальный этап процесса окисления с момента смешения сточных вод с активным илом в первые 20-40 мин аэрации характеризуется высокой степенью окислительной активности бактерий, которая затем падает по экспоненциальной зависимости.

Основными факторами, влияющими на интенсивность процесса, являются следующие:

· Оптимальный баланс источников углеродного и азотистого питания и обеспечивающий этот баланс технологический режим; наличие биогенных элементов;

· Исключительная приспособляемость микроорганизмов к изменяющимся условиям существования;

· Симбиотический характер существования микробных ассоциаций, что позволяет сформировать активный ил с усиленными физиологическими свойствами.

Для создания специфической микрофлоры необходимо подавать на очистные сооружения концентрированные сточные воды стабильного состава в течение длительного времени. Это способствует индуцированию ферментов, изменяет тип обмена веществ бактериальных клеток и закрепляет приобретенные признаки наследственно. В результате формируется активный ил с повышенными окислительными свойствами, что приводит к росту окислительной мощности сооружений биоочистки. Специфическая микрофлора активного ила способна нивелировать залповые выбросы сточных вод, характеризуемых высокими концентрациями загрязняющий веществ.

Биохимический показатель

Сточные воды, направляемые на биохи­мическую очистку, характеризуются величиной БПК и ХПК.

БПК - это биохимическая потребность в кислороде или количество кисло­рода, использованного при биохимических процессах окисления орга­нических веществ (не включая процессы нитрификации) за опреде­ленный промежуток времени (2, 5, 8, 10, 20 сут), в мг О 2 на 1 мг вещества. Например: БПК 5 - биохимическая потребность в кисло­роде за 5 сут. БПК п - полная биохимическая потребность в кисло­роде до начала процессов нитрификации. ХПК - химическая по­требность в кислороде, т.е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде. ХПК также выражают в мг О 2 на 1 мг вещества.

Для неорганических веществ, которые практически не поддают­ся окислению, также устанавливают максимальные концентрации. Если такие концентрации превышены, воды нельзя подвергать био­химической очистке.

Биоразлагаемость сточных вод характеризуется через биохимический показатель, под которым понимают соотношение БПК/ХПК.

Биохимический показатель является параметром, необходимым для расчета и эксплуатации промышленных сооружений для очист­ки сточных вод. Его значения колеблются в широких пределах для различных групп сточных вод. Промышленные сточные воды имеют низкий биохимический показатель (не больше 0,3); бытовые сточные воды - свыше 0,5. По биохимическому показателю концентрации загрязнений и токсичности промышленные сточные воды делят на четыре группы.

Первая группа имеет биохимический показатель выше 0,2. К этой группе, например, относятся сточные воды пищевой промышленно­сти (дрожжевых, крахмальных, сахарных, пивоваренных заводов), прямой перегонки нефти, синтетических жирных кислот, белково-витаминных концентратов и др. Органические загрязнения этой груп­пы не токсичны для микробов.

Вторая группа имеет показатель в пределах 0,02-0,10. В эту груп­пу входят сточные воды коксования, азотнотуковых, коксохимичес­ких, газосланцевых, содовых заводов. Эти воды после механической очистки могут быть направлены на биохимическое окисление.

Третья группа имеет показатель 0,001-0,01. К ней относятся, на­пример, сточные воды процессов сульфирования. хлорирования, про­изводства масел и ПАВ, сернокислотных заводов, предприятий чер­ной металлургии, тяжелого машиностроения и др. Эти воды после механической и физико-химической локальной очистки могут быть направлены на биохимическое окисление.

Четвертая группа имеет показатель ниже 0,001. Сточные воды этой группы в основном содержат взвешенные частицы. К этим во­дам относятся стоки угле- и рудообогатительных фабрик и др. Для них используют механические методы очистки.

Сточные воды первой и второй групп относительно постоянны по виду и расходу загрязнений. После очистки они применимы в системах оборотного водоснабжения. Сточные воды третьей группы образуются периодически и отличаются переменной концентрацией загрязнений, устойчивых к биохимическому окислению. Они загряз­нены веществами, которые хорошо растворимы в воде. Эти воды не­пригодны для оборотного водоснабжения.

Эти методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и не­которых неорганических (сероводорода, аммиака, сульфидов, нитри­тов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности определенных микроорганизмов использовать указанные вещества для питания: органические вещества для микроорганизмов являются ис­точником углерода. Микроорганизмы частично разрушают их, превращая СО 2 , Н 2 O, нитрат- и сульфат-ионы, а частично используют для образования собственной биомассы. Процесс биохимической очистки посвоей сути - природный, его характер одинаков для процессов, протекающих как в природных водоемах, так и в очистных сооруже­ниях.

Биологическое окисление осуществляется сообществом микроор­ганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и более высокоорганизованных организмов (водорослей, грибов), связанных между собой в единый комплекс сложными вза-имоотношениями. Это сообщество называют активным илом, он со­держит от 106 до 1014 клеток на 1 г сухой биомассы (около 3 г микро­организмов на 1 литр сточной воды).

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очист­ки сточных вод.

Аэробный процесс. Для его осуществления используются группы микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходимы по­стоянный приток кислорода (2 мг0 2 /л), температура 20-30°С, рН сре­ды 6,5-7,5, соотношение биогенных элементов БПК: N: Р не более 100: 5: 1. Ограничением метода является содержание токсичных ве­ществ не выше: тетраэтилсвинца 0,001 мг/л, соединений бериллия, титана, Сг 6+ и оксида углерода 0,01 мг/л, соединений висмута, вана­дия, кадмия и никеля 0,1 мг/л, сульфата меди 0,2 мг/л, цианистого калия 2 мг/л.

Аэробная очистка сточных вод проводится в специальных соору­жениях: биологических прудах, аэротенках, окситенках, биофильтрах.

Биологические пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными со­оружениями. Их выполняют в виде каскада прудов, состоящих из 3-5 ступеней. Процесс очистки сточных вод реализуется по следующей схеме: бактерии используют для окисления загрязнений кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислород из воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют оксид углерода, фосфаты и аммонийный азот, выделяемый при биохимическом раз­ложении органических веществ. Поэтому для нормальной работы пру­дов необходимо соблюдать оптимальные значения рН и температуру сточной воды. Температура должна быть не менее 6 °С, в связи с чем в зимнее время пруды не эксплуатируются.

Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Глу­бина прудов с естественной поверхностной аэрацией, как правило, не превышает 1 м. При искусственной аэрации прудов с помощью меха­нических аэраторов или продувки воздуха через толщу воды их глуби­на увеличивается до 3 м. Применение искусственной аэрации ускоря­ет процессы очистки воды. Следует указать и недостатки прудов: низ­кую окислительную способность, сезонность работы, потребность в больших территориях.

Сооружения для искусственной биологической очистки по признаку расположения в них активной биомассы можно разделить на две группы:

Активная биомасса находится в обрабатываемой сточной воде во взвешенном состоянии (аэротенки, окситенки);

Активная биомасса закрепляется на неподвижном материале, а сточная вода обтекает его тонким пленочным слоем (био­фильтры).

Аэротенки представляют собой железобетонные резер­вуары, прямоугольные в плане, разделенные перегородками на отдель­ные коридоры.

Для поддержания активного ила во взвешенном состоянии, интен­сивного его перемешивания и насыщения обрабатываемой смеси кис­лородом воздуха в аэротенках устраиваются различные системы аэрации (чаще механическая или пневматическая). Из аэротенков смесь обработанной сточной воды и активного ила поступает во вторичный отстойник, откуда осевший на дно активный ил с помощью специальных устройств (илососов) отводится в резервуар насосной станции, а очищенная сточная вода поступает либо на дальнейшую доочистку, либо дезинфицируется.

Для пневматической аэрации сточных вод вместо воздуха может подаваться чистый кислород. Для такого процесса используются окситенки , несколько отличные по конструкции от аэротенков. Окисли­тельная способность окситенков в 3 раза выше последних.

Биофильтры находят применение при суточных расходах бытовых и производственных сточных вод до 20-30 тыс. м 3 в сутки. Биофильт­ры представляют собой резервуары круглой или прямоугольной фор­мы в плане, которые заполняются загрузочным материалом. По ха­рактеру загрузки биофильтры разделяют на две категории: с объемной и плоскостной загрузкой. Объемный материал, состоящий из гравия, керамзита, шлака с крупностью фракций 15-80 мм, засыпается слоем высотой 2-4 м. Плоскостной материал выполняется в виде жестких (кольцевых, трубчатых элементов из пластмасс, керамики, металла) и мягких (рулонная ткань) блоков, которые монтируются в теле биофиль­тра слоем толщиной 8 м.

Анаэробный процесс. Здесь происходит биологическое окисление орга­нических веществ в отсутствие молекулярного кислорода за счет химичес­ки связанного кислорода в таких соединения, как сульфаты, сульфиты и карбонаты. Про­цесс протекает в две стадии: на первой образуются органические кис­лоты, на второй стадии образовавшиеся кислоты преобразуются в метан и С0 2: органические соединения + 0 2 + кислотообразующие бактерии -> летучие кислоты + СН 4 + С0 2 + Н, + новые клетки + другие продукты -» летучие кислоты + 0 2 + метанобразующие бакте­рии -> СН 4 + С0 2 + новые клетки. Основной процесс проводится в метантенках.. В них перерабатывается активный ил и концентрированные сточные воды (обычно БПК > 5000), содержащие органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в ходе метанового брожения. Указанное брожение в естественных условиях протекает на болотах.

Основная цель анаэробной очистки - уменьшение объема актив­ного ила или количества органических веществ в сточной воде, полу­чение метана (до 0,35 м 3 при нормальных условиях на 1 кг ХПК) и хо­рошо фильтрующего и без запаха осадка. Осадки после фильтрации могут быть использованы в качестве удобрения в растениеводстве (если содержание в них тяжёлых металлов ниже ПДК). Получаемый в ме­тантенках газ содержит до 75 % (об.) метана (остальное - С0 2 и воз­дух) и используется в качестве горючего.

Биологическая очистка загрязненных вод может быть осуществлена в естественных условиях, для чего используют специально подготовленные участки земли (поля ороше­ния и фильтрации ). В этих случаях для освобождения сточ­ных вод от загрязняющих примесей используется очищающая способ­ность самой почвы. Фильтруясь сквозь слой почвы, вода оставляет в ней взвешенные, коллоидные и растворенные примеси. Микроорга­низмы почвы окисляют органические загрязняющие вещества, пре­вращая их в простейшие минеральные соединения - диоксид углеро­да, воду, соли. Поля орошения используются одновременно для очистки сточных вод и выращивания зерновых и силосных культур, трав, овощей, а так­же посадки кустарников и деревьев. Поля фильтрации используются только для очистки сточных вод.