Биохимические процессы при очистке сточных вод. Сущность биохимической очистки сточных вод коксохимических производств Способы биохимической очистки сточных вод

Биохимическое окисление - широко применяемый на практике метод очистки производственных сточных вод. Главным действующим началом при биохимической очистке являются микроорганизмы, использующие в качестве питательных веществ и источников энергии растворенные органические и неорганические соединения. Из них микроорганизмы берут все необходимое для размножения, увеличивая при этом активную биомассу.

Загрязняющие сточную воду вещества при их аэробной биохимической очистке окисляются активным илом, представляющим собой биоценоз, обильно заселенный микроорганизмами. Активный ил разрушает органические и неорганические соединения в специальных сооружениях - аэротенках - в условиях аэрации воздухом сточной воды и ила, находящегося благодаря аэрации во взвешенном состоянии. В процессе очистки микроорганизмы активного ила, контактируя с органическими и неорганическими веществами сточных вод, разрушают их при помощи различных ферментов.

Для создания протоплазмы клетке микроорганизмов нужны биогенные элементы: углерод, азот, кислород, водород, фосфор, калий, железо, магний и различные микроэлементы. Многие из этих элементов бактериальная клетка может почерпнуть из загрязнений сточных вод коксохимического производства. Недостающие элементы, чаще всего фосфор и реже калий, приходится добавлять в очищаемую сточную воду в виде ортофосфорной кислоты и соли (марганцовокислый калий).

Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки сточной воды в среде должна быть достаточная концентрация всех основных биогенных элементов, которая для сточных вод коксохимического производства определяется соотношением:

БПК полн: N: Р = 100: 5: 1, (2)

где БПК - полная биологическая потребность в кислороде, мг О/л;

N - концентрация азота, мг/л;

Р - концентрация фосфора, мг/л.

Способ биохимической очистки обычно применяется для очистки промышленных сточных вод после обработки их физико-химическими методами, при помощи которых из вод удаляются не поддающиеся биологическому разрушению токсичные вещества и снижается концентрация загрязнений. Возможность биохимической очистки сточных вод определяется соотношением БПК полного к ХПК, которое должно быть меньше 0,4.

К числу преимуществ метода биохимической очистки относится способность разрушать различные классы органических соединений, однако, ряд органических соединений не подвергаются биохимическому окислению. Отдельные органические соединения распадаются, но продукты распада не окисляются до углекислого газа и воды Эти продукты распада могут быть иногда даже более токсичны, чем исходные вещества. Иногда биохимическое окисление невозможно из-за высокой концентрации загрязнений в сточной воде, оказывающей токсичное влияние на микроорганизмы.

Биохимический распад того или иного вещества зависит от ряда химических и физических факторов, как, например, наличия функциональных групп в молекуле, величины молекулы и ее структуры, растворимости вещества, образования промежуточных продуктов и их взаимодействия и других. Образование промежуточных продуктов обуславливается также биологическими факторами - сложностью обменных процессов в клетках микроорганизмов, вариабельностью штаммов бактерий, влиянием среды и длительностью адаптации микроорганизмов. Рассмотрим литературные данные о связи структуры некоторых веществ, содержащихся в сточных водах коксохимического производства, и их способности к биохимическому распаду. Экспериментально доказано, что бензол в незначительной степени окисляется микроорганизмами, производные его с короткой боковой целью, например, толуол, разлагаются несколько легче. Двухатомные фенолы успешно окисляются адаптированным комплексом бактерий, причем пирокатехин вдвое быстрее, чем резорцин. Наиболее трудно окисляется гидрохинон. При окислении многоатомных фенолов образуются окрашенные хиноидные соединения. Возможность биохимического окисления фенола известна уже давно. В Советском Союзе для очистки от фенола сточных вод коксохимического производства с 1952 года используется бактериальный комплекс - фенолразрушающие микроорганизмы, выделенные из почвы коксохимического завода Киевским институтом общей и коммунальной гигиены (Путилиной Н.Т. с сотрудниками). Применив этот комплекс для обогащения активного ила, нарастающего при очистке фенольной сточной воды в аэротенках, Киевский институт общей и коммунальной гигиены и Гипрококс назвали метод очистки "микробным". Это условное название употребляется и до настоящего времени, хотя по существу это биохимическая очистка активным илом, обогащенным фенол - и роданразрушающими микроорганизмами.

Работами многих исследователей установлена последовательность разрушения фенола микроорганизмами и выделены образующиеся при этом промежуточные продукты. Биохимическое окисление фенола идет стадийно через пирокатехин, цис-цис-муконовую кислоту, лактон, в - кетоадипиновую кислоту, янтарную кислоту, уксусную кислоту. Конечными продуктами биохимического окисления фенола являются углекислый газ и вода.

В сточных водах коксохимического производства содержатся роданиды. Исследования показали, что биохимическое окисление последних роданразрушающими микроорганизмами идет с образованием ионов аммония и сульфата. Эффективность биохимической очистки зависит от ряда факторов, основными из которых являются: температура, реакция среды (pH), кислородный режим, наличие биогенных элементов и токсичных веществ, уровень питания.

Оптимальной температурой, при которой хорошо развиваются фенол - и роданразрушающие микроорганизмы, является 30-35°С. Активная жизнедеятельность данных микроорганизмов сохраняется при 20-40°С. Если температурный режим не соответствует оптимальному, то рост культуры, а также скорость обменных процессов в клетке заметно ниже расчетных значений. Наиболее неблагоприятное влияние на развитие культуры оказывает резкое изменение температуры. При аэробной очистке отрицательное влияние повышенной температуры усугубляется еще вследствие соответствующего уменьшения растворимости кислорода.

Концентрация водородных ионов (pH) существенно влияет на развитие микроорганизмов. Фенол - и роданразрушающие микроорганизмы лучше всего развиваются в среде с pH 6,5-8,0. Отклонение pH за пределы 6 - 9 влечет за собой уменьшение скорости окисления вследствие замедления обменных процессов в клетке, нарушения проницаемости ее цитоплазматической мембраны и др., что приводит к ухудшению биохимической очистки. При pH ниже 5 и выше 10 происходит гибель микроорганизмов. Если значения температуры и pH выходят за пределы оптимальных и, особенно, допустимых величин, необходимо корректировать эти параметры в сточных водах, поступающих на биохимическую очистку. В фенольных сточных водах коксохимического производства содержится значительное количество аммиака и солей аммония; незначительное количество аммонийного азота потребляется в процессе жизнедеятельности фенол - и роданразрушающих микробов, но одновременно при окислении роданидов из азота роданид-ионов образуется дополнительное количество аммонийного азота. По существующим нормам сброса сточных вод в городскую канализацию для доочистки на городских очистных сооружениях содержание аммонийного азота в очищенных фенольных водах на 2 и более порядков выше допустимого.

Полная биохимическая очистка сточных вод от аммонийного азота включает две стадии: нитрификацию - окисление аммонийного азота под действием нитрифицирующих бактерий в присутствии кислорода воздуха вначале до нитритов, а затем до нитратов; денитрификацию - восстановление нитритов и нитратов под действием комплекса денитрифицирующих бактерий в присутствии необходимого количества органических соединений. Процесс нитрификации успешно протекает при pH 7-9; при окислении аммонийного азота до нитритов происходит образование кислоты (из двух молей азота по реакции образуется четыре моля водородного иона), которую необходимо нейтрализовать для нормального протекания процесса нитрификации. При денитрификации происходит образование гидроксильного иона (по реакции при восстановлении двух молей нитратов до атомарного азота выделяется два гидроксильных иона О Н-), то есть некоторая компенсация потерянной при нитрификации щелочности воды. Поэтому для уменьшения расхода щелочных агентов на стадии нитрификации необходимо организовать процесс очистки таким образом, чтобы максимально использовать щелочность, образующуюся на стадии денитрификации. При денитрификации можно исключить подачу кислорода воздуха или оставить ее в незначительном количестве, поскольку денитрифицирующие бактерии используют кислород, связанный в нитриты и нитраты. По данным ВУХИН при денитрификации содержание кислорода в воде не должно превышать 0,1 мг/л.

В качестве органического питания на стадии денитрификации предложен ряд легкоокисляемых органических соединений, а также избыточный активный ил или часть неочищенной фенольной воды. В процессе потребления микроорганизмами питательных веществ, содержащихся в сточных водах, в микробной клетке протекают два взаимосвязанных и одновременно происходящих процесса - синтез протоплазмы и окисление органических веществ. В процессе окисления клетки потребляют кислород, растворенный в сточной воде. В аэробных биологических системах подача воздуха (а также чистого кислорода или воздуха, обогащенного кислородом) должна обеспечивать постоянное наличие в воде растворенного кислорода не ниже 2 мг/л. Система аэрации обеспечивает также перемешивание воды и постоянное поддерживание ила во взвешенном состоянии. В технической литературе за меру уровня питания принимают величину сугочной нагрузки по загрязнениям в расчете на 1 м3 очистного сооружения, или на 1 г сухой биомассы, или на 1 г беззольной части биомассы. В практике оценки очистных сооружений коксохимических предприятий оперирует, в основном, величиной суточной нагрузки по отдельным загрязнениям и по ХПК на 1 м 3 аэротенка, которую принято называть окислительной мощностью сооружения. Обычно эту величину выражают в килограммах кислорода на 1 м 3 в сутки (кг О/м 3 в сутки).

Токсичным действием на биохимическое окисление могут обладать как органические, так и неорганические соединения, а также металлы. В результате токсичного действия веществ задерживается рост и развитие микроорганизмов или они погибают. В сточных водах коксохимического предприятия содержится большое количество веществ, которые тормозят развитие микроорганизмов, а некоторые могут привести к их гибели.

Отрицательное воздействие на процесс биохимической очистки сточных вод оказывает повышенная минерализация стока. Верхним пределом минерализации производственных сточных вод, поступающих в аэротенки, считается содержание солей в количестве 10 г/л. Резкие колебания в степени минерализации неблагоприятно отражаются на качестве очищенного стока. Осмотический шок, вызываемый минеральными солями, приводит к выделению органического вещества из клеток ила, что ведет к нарушению окислительных процессов. Низкие гидравлические нагрузки и высокие концентрации активного ила делают менее заметным влияние повышенных концентраций солей на эффективность работы аэротенков. Самыми важными факторами формирования биоценоза илов биохимических установок являются состав очищаемых сточных вод и величина нагрузки на ил. Действие других факторов - температуры, перемешивания, концентрации растворенного кислорода - практически не изменяет качественного состава илов, но влияет на количественное соотношение различных групп микроорганизмов. Основными факторами, влияющими на продолжительность процесса биохимической очистки, являются концентрация поступающих загрязнений, необходимая степень очистки, химическая природа загрязнения и концентрация активного ила.

Для проектирования биохимических установок коксохимических предприятий обычно принимается следующий состав сточных вод, поступающих в аэротенки (в мг/л): фенолы 400, роданиды 400, цианиды 20, общие масла 35, аммиак летучий до 250, аммиак общий 500, ХПК 3000. Состав очищенной воды по основным загрязнениям при проектировании современных биохимических установок (в мг/л): фенолы 0.5 - 2; роданиды 1-3; цианиды до 5, общие масла 10-20, ХПК 300-500. Общая загрязненность сточных вод до и после очистки достаточно полно характеризуется аналитически определяемой величиной ХПК (химической потребности в кислороде для окисления). Для биохимического окисления веществ обобщающим показателем обычно является величина БПК (биологической потребности в кислороде), которая определяется экспериментально при биохимическом окислении веществ в течение 5-ти суток - БПК 5 , 20-ти суток - БПК 20 или БПК полн.). В фенольных стоках коксохимического производства большая часть загрязнений биохимически трудно окисляется, поэтому для этих вод более показательна величина ХПК. Определенное представление о некоторых веществах в сточных водах коксохим производства дают литературные данные об удельных значениях ХПК отдельных веществ (в мг О/мг вещества), а также о соотношении БПК и ХПК - чем оно ниже, тем более легко происходит биохимическое окисление вещества.

Таблица 4. ХПК и соотношении БПК и ХПК в сточных водах коксохимического производства

Повышая дозу активного ила в аэротенках, следует иметь в виду, что при высокой концентрации биомассы (в практике можно поддерживать 5-6 г/л) не сохраняется прямая пропорция между концентрацией ила и скоростью окисления загрязнений. Скорость биохимического окисления уменьшается при повышении начальной дозы ила из-за ухудшения питания отдельных клеток. Сточные воды различных предприятий могут сильно различаться по содержанию отдельных загрязнений, следовательно, необходимо экспериментально определять оптимальную концентрацию активного ила для каждой биохимической установки.

При двухступенчатой очистке сточных вод на первой ступени (обесфеноливании) активный ил (точнее - биомасса) обычно мелкодисперсный, плохо отстаивающийся, поэтому для поддержания необходимой концентрации биомассы в аэротенке в них осуществляется возврат очищенной воды (до 50% и более) из сборника обесфеноленных вод.

На второй ступени очистки (обезроданивании) образуются хорошо оседающие хлопья активного ила (за счет обогащения биомассы простейшими микроорганизмами, которые являются индикатором достаточно глубокой очистки). Возврат сгущенного активного ила из вторичных отстойников технически должен быть организован таким образом, чтобы не разрушать хлопья активного ила (поэтому предпочтительно возврат производить с помощью эрлифтного, а не центробежного насоса). Целесообразно перед подачей возврата ила в аэротенок направлять его через специальную емкость с аэрацией сжатым воздухом (регенератор ила). Повышение концентрации активной биомассы в аэротенках можно осуществлять переоборудованием их в биотенки, то есть заполнением части объема аэротенка неподвижно закрепленным пористым материалом (на котором нарастает и закрепляется биопленка), либо использованием плавающим в объеме аэротенка твердым сорбентом (биосорбционная очистка).

Резкие колебания концентрации поступающих со сточной водой загрязнений приводят к нарушению биохимической очистки. Чтобы компенсировать эти колебания биохимические установки оборудуются усреднителями. Стабилизировать, а также повысить глубину очистки сточных вод позволяет переоборудование усреднителей в предаэротенки: в усреднители подается очищенная сточная вода с активным илом в количестве 10 - 20 % от поступающей фенольной воды, и несколько увеличивается количество подаваемого для перемешивания воды в усреднителе сжатого воздуха - до 30м 3 /м 3 поступающей сточной воды. Происходящее в предаэротенке небольшое разбавление исходной воды очищенной водой также благоприятно влияет на дальнейшую биохимическую очистку. Опыт эксплуатации показал, что в предаэротенке окисляется 25-30% поступающих фенолов, существенно уменьшается отрицательное влияние залповых сбросов на жизнедеятельность активного ила в аэротенках.

Эффективность биохимической очистки во многом определяется конструкцией аэрационных систем. На отечественных биохимических установках испытаны различные аэрационные системы: пневматическая, пневмомеханическая, механическая. Выбор аэрационной системы должен основываться на сравнении их эффективности, производительности по кислороду, степени использования кислорода воздуха, а также на оценке эксплуатационных достоинств и недостатков. Кроме того, для обеспечения достаточно полной биохимической очистки аэрационная система должна обеспечивать также хорошее перемешивание сравнительно больших количеств активного ила, а при значительном объеме аэрационных сооружений не вызывать переохлаждения сточной воды (это особенно значимо при окислении роданидов).

Пневматическая аэрация через перфорированные металлические или пластмассовые трубы (среднепузырчатая система аэрации) дает очень низкий коэффициент использования кислорода воздуха - около 2%; кроме того поддержание активного ила во взвешенном состоянии недостаточно удовлетворительное. Достаточно высокие окислительные способности (то есть количество кислорода, вносимого в единицу времени) и степень использования кислорода воздуха отмечены при применении пневмомеханической системы аэрации. Однако сложность эксплуатации этих систем (связанная, в частности, с тяжелыми условиями работы электродвигателей и редукторов в парах воды и химзагрязнений над аэротенком) была основной причиной того, что они не получили распространения. Кроме того, применение механического поверхностного аэратора вызывает существенное снижение температуры очищаемой воды, что недопустимо в зимнее время, особенно на заводах Украины. Современные биохимические установки на коксохимических заводах - довольно мощные сооружения. С учетом климатических условий, эксплуатационных затрат на обслуживание и ремонт, возможностей управления процессом биохимической очистки наиболее целесообразно сооружать центральную воздуходувную станцию, а в качестве аэрационной системы использовать эрлифтные аэраторы, которые одновременно обеспечивают хорошее перемешивание жидкости в аэротенке. Первые испытания эрлифтной системы аэрации, проведенные в 70-х годах Несмашным на Криворожском коксохимическом заводе, показали безусловные преимущества этой системы аэрации. В последующие годы благодаря систематическим исследованиям и разработкам, проведенным в ВУХИНе (В.Г. Плаксиным, В.М. Кагасовым, А.В. Говорковым, А.В. Путиловым, И.В. Пименовым и др.) была создана оптимальная система эрлифтной аэрации, которая обеспечивает эффективную аэрацию при высоких нагрузках по сточной воде и воздуху, интенсивное перемешивание жидкости и необходимые придонные скорости жидкости в емкостях большого объема. Степень использования кислорода воздуха б зависимости от нагрузки по воздуху на аэратор и уровня жидкости в емкости составляет 10-25%. Основные технические характеристики системы для варианта установки в аэротенке объемом 400 м3 и уровне жидкости 4 м: расход воздуха 2000 (и более) м 3 /ч, количество аэраторов 45-70, диаметр аэраторов 0,5 - 0,3 м, высота аэратора 1-2 м, приведенная скорость жидкости в аэраторе 1,5 - 2,5 м/с, придонные скорости жидкости более 0.3 м/с, кратность циркуляции не менее 50 l/ч, коэффициент использования кислорода 20-25%, количество вносимого кислорода 120-150 кг/ч, эффективность аэрации 2.35 - 2.95 кг кислорода/квт. ч, перепад давления на газораспределительном устройстве 1000-1500 Па, размеры пузырей не более 6 мм. На большинстве действующих биохимических установок наиболее распространена в настоящее время эрлифтная система аэрации с коэффициентом использования кислорода 12%. Практический опыт работы показал, что высота аэратора должна быть на 0,3м ниже уровня воды в аэротенке, чтобы предотвратить образование волны.

При эксплуатации аэротенков в них наблюдается образование большого количества пены. Причиной образования устойчивых пен является присутствие в сточных водах поверхностно-активных веществ и стабилизаторов пены: тонкодисперсных порошков кокса, пека; жидких полимеров; компонентов каменноугольной смолы, входящих в нерастворимые в толуоле вещества. Стабилизатором пены является также мелкодисперсный активный ил. По мере укрупнения активного ила его стабилизирующее воздействие на пену снижается. Гидравлический способ гашения пены малоэффективен для аэротенков с большой поверхностью, так как трудно обеспечить распределение воды равномерно по всей поверхности, к тому же большое количество воды, подаваемой для гашения пены, нарушает нормальный процесс очистки. Наиболее эффективно использовать аэротенки с перекрытием и подсводовым пространством высотой до 2 м: при этом пенс разрушается поступающей сточной водой и очищенной водой, возвращаемой из вторичного отстойника. Практика показала, что высота слоя пены не превышает 1,5 - 2м. Наличие перекрытия аэротенка позволяет осуществить организованный выброс отработанного воздуха и реализовать мероприятия по очистке его от вредных выбросов в атмосферу. Инженерное оформление схемы биохимической очистки принципиально изменилось за два последних десятилетия: подача воды в аэротенки производится насосами, а не самотеком, это облегчает регулировку гидравлических нагрузок, контроль расходов, позволяет в процессе эксплуатации изменять направление потоков с наименьшими затратами; появились и хорошо зарекомендовали себя металлические аэротенки в надземном исполнении (это, в частности, исключает загрязнение окружающей территории за счет неплотностей сооружений, характерных при сооружении аэротенков из сборного железобетона).

При проектировании биохимических установок приняты следующие основные расчетные зависимости (их необходимо также использовать в процессе эксплуатации при анализе работы установки): Объем аэротенков 1-й и 2-й ступеней (V) определяется на основе окислительной мощности по фенолам и роданидом соответственно (в м 3)

С 1 и С 2 - концентрации окисляемого вещества соответственно до и после очистки, мг/л;

ОМ - окислительная мощность аэротенка (в кг окисляемого вещества на 1 м 3 аэротенка в сутки).

Окислительная мощность зависит от исходной концентрации вещества, состава сточных вод, эффективности аэрации и других факторов; определяется экспериментально. Для сточных фенольных вод коксохимических предприятий окислительная мощность по фенолам находится в пределах 0,6-1,2; для роданидов 0,6 - 0,4 (то есть в 2 - 3 раза ниже, чем для фенолов).

Расход воздуха в аэротенки (Q в) рассчитывается по формуле (в нм 3 /ч):

где: L - количество сточной воды, м 3 /ч;

ХПК 1 и ХПК 2 - окисляемость сточной воды соответственно до и после очистки (мг О / л воды);

К 1 - коэффициент запаса (обычно принимают 1,2 - 1,25);

0,21 - объемная доля кислорода в воздухе;

0,8 - коэффициент использования растворенного кислорода для окисления загрязнений;

1,429 - плотность кислорода при нормальных условиях (кг/нм 3);

q - коэффициент использования кислорода воздуха для данной системы аэрации (%).

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.

Использование микроорганизмов (бактерий, водорослей) от примесей является основой биохимического метода отчистки.

В результате своей жизнедеятельности микроорганизмы используют органические вещества в качестве питательной среды, при этом происходит деградация органики.

Для эффективного проведения биохимического очищения сточных вод важно соблюдать следующие условия:

Температурный режим - от +20 до +30оС;
. оптимальная кислотность среды - pH от 6,5 до 7,5;
. поступление достаточного количества кислорода, что значительно улучшает процесс разложения органических веществ микроорганизмами;
. предварительное удаление (уменьшение концентрации) токсичных веществ, оказывающих губительное действие на микроорганизмы.

Биохимическую очистку воды проводят с использованием следующих методов:

Поля фильтрации. Сточными водами периодически максимально заполняют огороженные участки земли. Далее вода фильтруется естественным образом проходя через почвенные поры. Примеси органических веществ задерживаются почвой и подвергаются разложению бактериями, в то время как очищенная вода собирается дренажной системой.
. Поля орошения - это специально выделенные участки земли, на которых происходит выращивание технических культур растений, и в тоже время очищение используемых для полива сточных вод. Отчистка от загрязнений происходит за счет естественных процессов, происходящих в почве. В результате разложения органических веществ в процессе жизнедеятельности микроорганизмов повышается плодородие почвы. 1 гектар полей орошения может принять до 50 кубометров сточных вод в сутки.
. Аэротенки - это искусственные резервуары, в которые загружают сточные воды, активный ил и обеспечивают доступ кислорода. Очищение обеспечивает рециркулируемый активный ил, который представляет собой специальный набор бактерий и простейших, способствующих максимально эффективному очищению.
. Биофильтры - очистительные сооружения, в которых находится специальный загрузочный материал (щебень, галька, керамзит, пластмасса). До начала очистительного процесса на поверхности загрузочного материала выращивают микроорганизмы, которые формируют биологическую пленку. Проходя через биофильтр, примеси сточных вод остаются на загрузочном материале, где происходит их разложение микроорганизмами биологической пленки. Вода в биофильтрах может подвергаться дополнительной аэрации.

Основным преимуществом биохимического метода отчистки является получение на выходе максимально чистой воды. Кроме того, в процессе отчистки не образуется никаких отходов, требующих отдельной утилизации.
Реагентный метод очистки сточных вод

Сутью реагентного метода очистки является использование химических реакций для инактивации токсических веществ, например за счет выпадения последних в нерастворимый осадок, который в последствии удаляют механически.

В рамках этого метода применяют:

Нейтрализацию, которая эффективно отчищает от загрязнения кислотами и щелочами;
. окислительно-восстановительные реакции;
. комплексообразование.

В составе любых сточных вод присутствуют компоненты органического и неорганического происхождения. Если от неорганических крупных и плотных включений легко избавиться методами механической фильтрации, то от сложных органических составляющих, присутствующих в воде в виде взвеси избавиться таким способом не получится. Для этого понадобится биохимическая очистка сточных вод. Данная методика не менее эффективная и не такая дорогостоящая, как искусственные методы очищения. Кроме того, такой способ очистки не требует выполнения сложного процесса утилизации используемых реагентов.

Биохимический способ очистки основан на использовании специальных бактерий, которые в ходе своей жизнедеятельности расщепляют сложные органические соединения на более простые элементы – воду, углекислый газ и минеральный осадок.

Эти бактерии постоянно присутствуют в почве и воде, где они способствуют естественному очищению почвы и воды. Но поскольку их концентрация невысока, процессы естественного очищения протекают довольно медленно.

В очистных сооружениях, где применяется способ биохимической очистки, присутствуют огромные колонии бактерий, участвующие в переработке стоков. При этом в этих сооружениях создаются благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов, что позволяет значительно ускорить процессы очищения воды в сооружении в сравнении с естественным очищением в природе.

Как правило, при биохимической очистке используется один из двух видов бактерий либо их комбинация:

Аэробные микроорганизмы перерабатывают сложные органические соединения. В результате окисления они расщепляются на воду, минеральный осадок и углекислый газ. Главная особенность этих бактерий в том, что они нуждаются в кислороде, поэтому конструкции с их использованием оборудуются аэраторами и компрессорами.
Анаэробные микроорганизмы в небольшом количестве всегда присутствуют в стоках. Эти бактерии не нуждаются в кислороде. Однако им нужен углекислый газ и нитраты, чтобы вести свою жизнедеятельность. Эти организмы в процессе жизни выделяют метан, поэтому в сооружении необходимо использовать систему вентиляции.

Способы биохимической очистки

Сегодня используются следующие биохимические методы очистки сточных вод:

Биологические пруды.
Конструкции с использованием аэробных методов очистки – аэротенки и биофильтры.
Очистные устройства с анаэробным разложением (септики, отстойники и метантенки).

Биопруды

Это искусственные водоёмы небольшой глубины (0,5-1 м), в которых стоки проходят процессы, очень напоминающие природное самоочищение. Эти пруды хорошо прогреваются солнцем, поэтому в них создаются благоприятные условия для жизни бактерий.

Самый высокий санитарный эффект прудов достигается в тёплое время года. Так, колонии кишечной палочки уничтожаются на 99 %, вредоносные микроорганизмы кишечной группы полностью истребляются, окисляемость среды снижается на 90 процентов, а концентрация аммонийного и органического азота уменьшается на 97 %.

Важно: такой способ очистки можно использовать и зимой. Пруды могут функционировать под слоем льда. Только с него нужно обязательно счищать снег, чтобы к бактериям поступал солнечный свет.

Биологические пруды бывают нескольких видов:

Проточные водоёмы , в которых стоки разбавляются речной водой. После отстойника стоки смешиваются с водой в соотношении 1 к 3-5. Здесь жидкость очищается на протяжении 14-21 дня. Пруд подходит для разведения рыбы и выращивания уток. Недостаток состоит в необходимости сооружения отстойника, потребности в речной воде.
Проточные пруды , в которых стоки не разбавляются речной водой. Этот способ очистки предусматривает прохождение сточной водой каскада из 4-5 водоёмов. В первом пруде должна быть преграда для сдерживания твёрдого осадка, а последний пруд годится для разведения рыбы.
Водоёмы для доочистки стоков используются на станциях биологической очистки, где не удаётся переработать большие объёмы стоков или требуется добиться высокой степени очищения. Обычно вся система состоит из 2-3 прудов, в которых тоже можно разводить рыбу.
Анаэробные пруды достигают нескольких метров в глубину. Здесь используются анаэробные способы очистки. Главными недостатками таких прудов является то, что в окружающую среду постоянно выделяется метан, также патогенные бактерии могут попасть в грунтовые воды.
Контактные водоёмы . Принцип очистки здесь основан на том, что в стоячей воде процессы биохимического окисления протекают намного быстрее. Система состоит из серии параллельно расположенных карт. Вода переходит из одного водоёма в другой каждый день. Процесс полной очистки выполняется за 5-10 дней.

Станции очистки с аэробным разложением

К таким сооружениям относятся биофильтры и аэротенки. Принцип работы биофильтра основан на том, что загрязнённые воды сначала проходят стадию механической очистки. Через некоторое время начинается обрастание загрузки (части биофильтра) биологической плёнкой. Этот процесс протекает благодаря адсорбции микроорганизмов из стоков. Только после этого начинаются процессы биохимического окисления органики.

Важно: главным условием выполнения эффективной очистки является наличие хорошей аэрации.

Биофильтр – это конструкция, заполненная крупнозернистым материалом, не поддающимся разбуханию (шлаком, галькой, щебёнкой). Поверхность этого материала орошается стоками через каждые 10-15 минут. Жидкость, прошедшая фильтр, проходит через дренажные отверстия и стекает в лотки. Аэрация биологического фильтра может быть искусственной или естественной. Искусственные способы аэрации позволяют значительно ускорить процессы биологического окисления.

Аэротенк – это очистные сооружения, в которых используются принципы естественного биологического очищения сточных вод . Однако интенсивность этих процессов намного выше. Аэрация стоков здесь выполняется посредством нагнетания воздуха при помощи аэраторов и компрессоров. Здесь функции биологической плёнки выполняет активный ил – это особые хлопья, которые состоят из взвеси микроорганизмов.

Принципы очистки в таком сооружения выглядят следующим образом:

Стоки, перемешанные с активным илом, попадают в длинный резервуар и продвигаются по нему.
Чтобы поддерживать ил во взвешенном виде и ускорять окислительные процессы, в систему постоянно нагнетается под давлением воздух.
По завершении окислительного процесса смесь ила со стоками попадает во вторичный отстойник, где происходит отделение активного ила от очищенных вод. Активный ил при помощи эрлифта перекачивается обратно в аэротенк.
После обеззараживания воду можно сливать в водоёмы.

Важно: такой способ очистки приводит к образованию большого количества активного ила, поэтому периодически его необходимо извлекать. Полученный активный ил можно использовать для удобрения полей.

Активный ил – это биомасса, состоящая из бактерий, простейших, микроорганизмов-нитрификаторов и денитрификаторов, а также грибов. В составе отсутствуют представители группы водорослей. Активный ил прекрасно адсорбирует бактерии группы кишечной палочки.

Станции очистки с анаэробным разложением

Осадок сточных вод на 95 процентов состоит из воды, на 5 – из углеводов, жиров и белков. Для обеззараживания осадка на очистных сооружениях также используются биохимические методы. Они позволяют изменить структуру осадка, в результате чего он становится быстро подсыхающим, легко поддающимся утилизации веществом.

Процессы анаэробного брожения в естественных условиях протекают с выделением метана, воды и углекислого газа. Существуют следующие виды очистных сооружений, в которых используются процессы анаэробного разложения:

Септики – это сооружения, в которых объединяются процессы сбраживания и образования осадка. Эти конструкции подходят для обслуживания небольших объектов – загородных домов и дач. Очистка септика может делаться вручную, поскольку габариты сооружения невелики. Обычно эта процедура выполняется 1-2 раза в год. Сброженный осадок из септика нельзя использовать в качестве удобрения, поскольку он представляет угрозу для окружающей среды. Перед утилизацией осадка его необходимо обеззаразить, подогрев до 60 градусов. Септики могут состоять из 1, 2 или 3-х камер. Эти конструкции подходят для предварительной очистки стоков, после чего они нуждаются в доочистке на полях фильтрации, в фильтрационных колодцах или канавах.
Метантенки . Здесь сбраживание осадка выполняется при искусственном подогреве. Сюда стоки попадают после первичного отстойника. Метантенк – это закрытый резервуар, в котором выполняется анаэробная переработка осадка. В таких конструкциях новый осадок постоянно перемешивается со зрелым. Эффективность работы всей конструкции зависит от количества зрелого осадка. Чем его больше, тем лучше.
Двухъярусные отстойники отличаются от септиков тем, что в них устранены многие их недостатки. Так, в жидкие стоки не могут попадать газы, выделяющиеся при разложении осадка. В этих конструкциях процесс брожения может длиться от 1 до 6 месяцев. При этом над двухъярусным отстойником стоит уловитель газов. Сброженный осадок подаётся для высушивания на иловые плантации. Разложение органики в отстойнике протекает намного быстрее и эффективнее, чем в септике. Такие конструкции не используют в средних широтах, поскольку зимой сбраживание осадка невозможно выполнить.

→ 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.