Механизмы биологического окисления.

Механизм биологического окисления гетеротрофными бактериями может быть представлена следующей схемой:

Орган в-ва + О₂ +N+P микроорганизмы + CO_{2 +} H₂O + биологически неокисляемые растворенные вещества (1).

Микроорганизмы + О₂ CO₂ +H₂O +N + P+ биологически неразрушаемая часть клеточного вещества (2).

Реакция 1 описывает окисление исходных органических веществ сточных вод и образование новой биомассы. В очищаемых сточных водах остаются биологически неокисляемые вещества, преимущественно в растворенном состоянии, т.к. коллоидные и нерастворимые вещества удаляются из сточных вод физико-химическими методами.

Процесс эндогенного окисления клеточного вещества, который происходит после использования внешнего источника питания, описывается реакцией 2.

В качестве примера окисления автотрофами может быть процесс нитрификации:

55NH₄ + 5CO₂ + 76 O₂ C₅H₇NO₂ + 54NO₂ ^- + 52H₂O + 109 H⁺ (3)

400NO₂ ^- + 5CO₂ + NH₄ + 195O₂ + 2H₂O C₅H₇NO₂ + 400 NO^-₃ + H⁺ (4).

Реакцию 3 осуществляют бактерии рода Nitrosomanas, которые переводят азот аммонийных солей в азот нитритов, а реакция 4 – окисление азота нитритов до нитратов проводят бактерии рода Nitrobacter.

Ясно, что если ферментативные реакции окисления осуществляются внутри клетки, то вещества должны попадать в нее сквозь оболочку. Многие же исходные органические вещества могут иметь слишком большие размеры частиц. В связи с этим значительная роль в общем процессе отводится протекающему вне клетки гидролитическому расщеплению крупных молекул и частиц на более мелкие.

Если в сообществе микроорганизмов имеются простейшие, то их роль многопланова и заключается прежде всего в регулировании числа бактерий в сообществе и в в непосредственном изъятии из сточных вод крупных частиц исходных примесей.

Влияние различных факторов на эффективность биологической аэробной очистки.

а) влияние t, рН, биологических а) биоценоз очистных сооружений

Элементов, уровня питания.

б) влияние кислородного режима, токсичных веществ

в) влияние ионов тяжелых металлов

Эффективность биологической очистки зависит от ряда факторов, одни из котиорых поддаются изменению и регулированию в широком диапазоне в пределах биологической системы, регулирование же других, например состав поступающих сточных вод, практически невозможно.

Температура.Оптимальной температурой для аэробных процессов, происходящих на очистных сооружениях считается +20 – +30^оС, при этом биоценоз, при прочих благоприятных условиях, представлен наиболее разнообразными и хорошо развитыми микроорганизмами. В то же время температурный оптимум для различных бактерий варьирует - +10 – +15^оС психрофилы, +20 – +30^оС мезофиллы, +50 – +60^оС термофилы. Вместе с тем микроорганизмы хорошо развиваясь при оптимальных температурах, сохраняют свою жизнеспособность в широком дипазоне температур Наиболее неблагоприятное влияние на развитие культуры оказывает резкое изменение температуры.

рН. Концентрация Н⁺ существенно влияет на развитие микроорганизмов. Значительная часть бактерий развивается лучше всего в среде с нейтральной или близкой к ней. Однако, имеются виды хорошо развивающиеся в кислой (например рН 4-6, дрожжи, грибы) и слабощелочной (актиномицеты). Биологическая очистка наиболее эффективна если значение рН находится в пределах 5-9, а оптимум рН 6,5-7,5. Отклонение за пределы 5-9 ведет к уменьшению скорости окисления вследствие замедления обменных процессов в клетке, нарушения проницаемости мембраны и т.д. Интересно, что микроорганизмы, хотя и в ограниченных пределах, способны регулировать величину рН среды. Если значение температуры и рН среды выходят за пределы допустимых, необходимо корректировать эти параметры в сточных водах поступающих на биологическую очистку.

Биогенные элементы. Для нормального процесса роста биомассы, а следовательно и эффективного процесса очистки сточных вод, в среде должно быть достаточное количество всех основных элементов питания – органического углерода (БПК), азота, фосфора. Кроме основных элементов необходимы в незначительном количестве и ионы металлов. Содержание ионов металлов в сточной воде обычно достаточно. Часто не хватает азота и фосфора и их добавляют искусственно в виде суперфосфата, фосфорной кислоты, мочевины и т.д. Но в стоках пищевых предприятий все может быть наоборот (привести примеры – мясокомбинат, молокозавод, спиртзавод и т.д.). Достаточность элементов питания для бактерий в сточной воде определяется соотношением БПК (С):N:Р. На западе ХПК:N:Р. Согласно нормативам, при обработке городских сточных вод соотношение БПК_полн (С):N:Р должно быть не менее 100:5:1. Обычно в бытовых сточных водах, поступающих после механической очистки на биологическую, это соотношение составляет приблизительно 100:20:2,5. Т.е. содержание азота и фосфора намного выше и целесообразно совместная очистка бытовых и производственных сточных вод, если последние не содержат указанных биогенов.

Уровень питания. В технической литературе за меру уровня питания принимают величину суточной нагрузки по загрязнениям в пересчете на 1 куб.м очистного сооружения на 1 г сухой биомассы или на 1 г. беззольной части биомассы. Чаще оперируют значениями нагрузки по БПК (на западе ХПК). Для аэрационных сооружений величина нагрузки на активный ил в совокупности с другими характеристиками дает возможность предсказать эффективность процесса очистки. Вот как выглядит общая взаимосвязь некоторых величин, характеризующих работу аэротенков.

По степени нагруженности аэрационные системы подразделяют на высоконагружаемые (более 400 мг БПК_полн. на 1 г. беззольного вещества в сутки), классические (150- 400 мг БПК_полн. на 1 г. беззольного вещества в сутки), и низкозагружаемые (менеее 150 мг БПК_полн. на 1 г. беззольного вещества в сутки).

Кислород. В аэрационных биологических системах подача воздуха или чистого кислорода или воздуха обогащенного кислородом, должна обеспечивать постоянное наличие в смеси растворенного кислорода более 2 мг/л. В принципе аэрационная система может работать и при более низком уровне кислорода (1 мг/л). В этом случае не наблюдается снижения скоростей утилизации органических веществ и процессов нитрификации. Однако, в связи с тем, что при отделении ила от воды во вторичных отстойниках теряется растворенного кислорода от 1 до 2 мг/л, минимальный его уровень установлен 2 мг/л, чтобы исключить продолжительность пребывания ила в анаэробных условиях. Система аэрации обеспечивает также постоянное поддержание ила во взвешенном состоянии.

Токсичные вещества. Токсичным действием на биологические процессы могут обладать органические и неорганические вещества. Токсичное действие может быть микробостатическим если задерживается рост и развитие микроорганизмов и убивающим (микробоцидным). В связи с тем, что вещества, даже полезные, становятся токсичными при определенных концентрациях, установление величины ПДК для индивидуальных химических веществ является очень важной задачей. За величину ПДК принимают максимальную концентрацию токсичного вещества, находящегося в воде и не оказывающего заметного отрицательного действия на работу биологических очистных сооружений (ПДК _б.о.с.). Кроме величины ПДК _б.о.с иногда указывают величину ПДК _б –концентрацию вещества, при превышении которой наблюдается какое-либо отрицательное действие на процессы биоокисления и жизнедеятельности клеток. Действие органических веществ на эффективность биологических очистных сооружений изучено более, чем для 1000 соединений. Пока не выявлено какой-либо определенной взаимосвязи между величинами ПДК и собственной биохимической окисляемостью вещества, оцениваемой отношением БПК/ХПК. Встречаются случаи, когда при относительно высокой ПДК само вещество биохимически не окисляется. Это означает, что эти вещества пройдут транзитом все биологические очистные сооружения не оказывая вредного влияния на микрофлору ила. Для большинства органических веществ характерно значительное превышение ПДК _б.о.с. над ПДК _б.

Микробиология утверждает, что все вещества биологического происхождения могут быть окислены в аэробных условиях. Это утверждение основано на том факте, что за все время существования нашей планеты на ее поверхности нигде не отмечено сколько-нибудь заметного накопления органических веществ. В этой связи и биологическое окисление примесей бытовых сточных вод (за исключением некоторых ПАВ), естественным образом включено в общий биологический круговорот биосферы. Однако, приспособившись усваивать естественные продукты, микроорганизмы очистных сооружений не всегда могут справиться с новыми видами производственных загрязнений, сильно отличающихся от естественных. В этом случае надежда возлагается на мощные адаптационные свойства биоценозов. Многие виды бактерий способны индуцировать новые специфические ферментные системы. Однако, адаптационные свойства микроорганизмов все же не беспредельны, а потому целый ряд органических веществ (отходов) не усваиваются микроорганизмами – пикриновая кислота, циклогексан, тетрахлорбензол и т.д. (рассказать про наш гриб).