Общая характеристика анаэробной очистки сточных вод и биоценоз метанового сообщества.

Метановое брожение или биометаногенез — давно извест­ный процесс превращения органических веществ (ОВ) в так называемый биогаз (в основном смесь метана и углекислого газа), протекающий в анаэробных условиях под действием микрофлоры. Он широко распространен в природе (разложе­ние ОВ в болотах, почве, у животных в рубце и т. д.) и был открыт в 1776 г. Вольтой. Не имея доступа ни к кислороду, ни к другим, предпочтительным в энергетическом отношении акцепторам электронов (нитрат, сульфат, сера и др.) микро­организмы вынуждены использовать для этой цели углерод ОВ, что и приводит в конечном итоге к наиболее сильно восстановленному из существующих в природе углеродных соединений — метану. В то же время в качестве донора электронов микроорганизмы в этом процессе также использу­ют, как правило, углерод ОВ, окисляя его до углекислого газа (второй важнейший компонент биогаза). Итак, с хими­ческой точки зрения при биометагенезе происходит ти­пичная химическая реакция диспропорционирования, при этом ОВ из жидкой (твердой) фазы переходит в газовую. Последний факт оказался очень существенным для разработ­ки процессов биологической утилизации практически любых органических отходов, в том числе и для рассматриваемого нами в настоящей работе более узкого аспекта этой утили­зации — очистке сточных вод.

Очистные сооружения, использующие метановое броже­ние для обработки органических отходов, известны с конца прошлого столетия. Первый такой опыт относится к 1895 г., когда в английском городе Экзетер был введен в эксплуата­цию так называемый септиктенк для очистки коммунальных отходов. Помимо чисто санитарных задач, этот септиктенк производил биогаз, который использовался для освещения улиц. Двумя годами позже аналогичный септиктенк был пост­роен в Бомбее. Биогаз, получающийся в ходе метанового бро­жения в септиктенках или в любых других видах анаэробных реакторов, представляет собой, как правило, смесь 50—80% метана, 20—50% углекислого газа, незначительных количеств сероводорода, азота, кислорода, водорода, аммиака и за­киси углерода. О механизмах происхождения примесных газов в составе биогаза будет сказано позже.

Деградация ОВ при метаногенезе осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором углерод-углеродные связи постепенно разрушаются под действием различных групп микроорганизмов. Согласно современным воззрениям, анаэробное превращение практически любого сложного ОВ в биогаз проходит через четыре последовательных стадии:

стадия гидролиза (расщепления) сложных биополимерных молекул (белков, липидов, полисахаридов и др.) на более простые олиго- и мономеры: аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.;

стадия ферментации (брожения) образовавшихся моно­меров до еще более простых веществ — низших кислот и спиртов, при этом образуются также углекислота и водород;

ацетогенная стадия, на которой образуются непосредс­твенные предшественники метана: ацетат, водород, углекис­лота:

собственно метаногенная стадия, которая ведет к конеч­ному продукту расщепления сложных ОВ — метану.

Следует отметить, что между стадиями гидролиза и бро­жения нет четкой границы, так как обычно микроорганизмы, обладающие гидролитической .активностью, используют про­дукты гидролиза расщепляемых ими соединений для своего роста. На рисунке 1 представлена схема метаногенеза, которая отражает потоки углерода при деградации сложных ОВ. Ключевой реакцией, определяющей скорость всего процесса, является реакция превращения ацетата в метан, при сбраживании отходов, содержащих полимеры, лимити­рующей является и стадия гидролиза.

Весь этот сложный комплекс превращений осуществляет
большое количество микроорганизмов, по некоторым оценкам — до нескольких сотен видов, среди которых
преобладают бактерии. Количественный и качественный
состав микрофлоры сильно зависит от состава сбраживаемых ОВ и условий, которые создаются в окружающей среде.
Тем не менее преобладающими группами микроорганизмов
являются гидролитические, бродильные, синтрофные и мета­ новые, последовательно осуществляющие перечисленные выше стадии анаэробного брожения.
В метаногенном сообществе между группами микроорга­низмов существуют тесные и сложные взаимосвязи, в том
числе и обратные. Ввиду субстратной специфичности метаноенов. их развитие невозможно без трофической связи с
бактериями предыдущих стадий. В свою очередь метановые
бактерии, используя вещества, продуцируемые первичными
анаэробами, определяют скорость реакций, осуществляемых
этими бактериями. Деятельность сообщества можно рассматривать как единое целое, регуляция в котором имеет аналогии в многоклеточных организмах. На рисунке 2 представлена предложенная Г. А. Заверенным схема, детально описываю­щая трофические связи между различными группами микро­организмов и их взаимные регуляции при анаэробной дег­радации ОВ метановым биоценозом. Она представляет собой математический граф, где ребра — потоки веществ, узлы — группы микроорганизмов, щтриховыми линиями представлены обратные связи, имеющие регуляторное действие.

Центральным метаболитом, осуществляющим основную, регуляторную функцию в метаногенном сообщест­ве, является водород. За счет поддержания низкого парци­ального давления Н₂ в системе становится возможным меж­видовой перенос водорода, меняющий метаболизм гидро­литических и бродильных микроорганизмов и позволяющий протекать реакциям разложения летучих жирных кислот (ЛЖК) и спиртов, осуществляемых синтрофными, бактериями. Под­робно регуляторная роль водорода, а также ацетата и фор­мата в метаногенном сообществе рассмотрена в обзорах и будет обсуждена ниже.

Помимо основных групп бактерий в метаногенной сис­теме присутствует большое количество микроорганизмов, которые, казалось бы, не принимают прямого участия в процессе деградации ОБ. Тем не менее они играют важную роль, например, в обеспечении других бактерий ростовыми факторами, удалении, токсических продуктов анаэробного метаболизма, а также в поддержании условий анаэробиоза. Последняя функция, приходится на долю факуль­тативных анаэробов, использующих случайно попавший в среду кислород. Таким образом, важнейшей особенностью метановых биоценозов является наличие множества симбиотических связей между различными микроорганизмами, когда продукты жизнедеятельности одних являются субстра­тами для других. Благодаря этому метановый биоценоз яв­ляется очень «пластичным» микробным сообществом, спо­собным менять используемые им пути ферментации и функ­ционировать как саморегулирующаяся система, поддержи­вающая значения рН, окислительно-восстановительного по­тенциала (Eh) и других факторов среды. Все это, несмотря на многостадийность биометагенеза, и обеспечивает стабиль­ность работы метаногенных микробных систем. Метановое брожение концентрированных органических отходов, таких как навоз, осадок коммунальных. сточных вод, твердые бытовые отходы начинается без специальной микробной инокуляции при создании анаэробных условий за счет микрофлоры, присутствующей в сбраживаемых отхо­дах и окружающей среде. Тем не менее при запуске ана­эробных реакторов их обычно инокулируют активным ана­эробным илом для интенсификации самой процедуры запус­ка, в течение которой происходит эволюция гетерогенной популяции микроорганизмов к новым условиям жизнедея­тельности. После, определенного срока работы реактора с более или менее постоянным составом сырья и при отсут­ствии резких колебаний температуры в нем путем авто селекции образуется сравнительно стабильный консорциум микроорганизмов. Для запуска реакторов, сбраживающих сточные воды различных отраслей промышленности, внесе­ние посевного материала необходимо, так как в самих стоках часто не содержится необходимой микрофлоры.

Из литературы известно, что метановое брожение может протекать в диапазонах температур от 0 до 97°С, Однако наиболее оптимальными являются интервалы температур 35°—40° для мезофильного процесса и 50°—55° для термофильного. Эти же температуры являются оптимальными для соответственно мезофильной и термофильной микрофлоры естественных мест обитания. Влияние. температуры на видо­вой состав микрофлоры пока изучено недостаточно, хотя считается, что микрофлора мезофильного режима значитель­но богаче по количеству и разнообразию видов, чем микро­флора термофильных сообществ. Вместе с тем, показано, что из общей популяции мезофильного реактора, 9% микро­организмов могло развиваться в термофильных условиях, а 1 % являлись облигатно термофильными. В целом же метановые бактерии в мезофильных и термофильных мик­робных метаногенных ассоциациях предоставлены разными видами. Тем не менее, несмотря на это, температур­ный режим влияет только на скорость процесса, а не на качественный состав образующихся продуктов.

Низкий прирост биомассы при анаэробной очистке сточ­ных вод по сравнению с аэробным процессом объясняется малым энергетическим выходом реакций, осуществляемых метановым биоценозом. Так, при аэробном биоокислении глюкозы 59% энергии, содержащейся в ней, расходуется на прирост биомассы, а остальные 41 % уходят в тепловые потери. При метановом сбраживании глюкозы по суммарной реакции

лишь 8% энергии расходуется на прирост биомассы, 3% сос­тавляют тепловые потери и 89% переходит в метан. Низким выходом энергии в процессе метанового брожения, в частности, объясняется важное свойство микроорганизмов метанового биоценоза: возможность длительное время (ме­сяцы) обходиться без субстрата с быстрым восстановлением активности после возобновления питания.