Znaczenie i skuteczność leczenia biochemicznego. Oczyszczanie ścieków metodami biochemicznymi. Skład ścieków bytowych

Utlenianie biochemiczne odbywa się zarówno w warunkach naturalnych na polach filtracyjnych, polach irygacyjnych i stawach biologicznych, jak i w warunkach sztucznie stworzonych w biofiltrach i zbiornikach napowietrzających. Pola filtracyjne, pola irygacyjne i biofiltry funkcjonują kosztem biocenoz glebowych; stawy biologiczne i zbiorniki napowietrzające – biocenozy zbiorników wodnych. W składach ropy stosuje się biofiltry kroplowe i wysokoobciążeniowe. W celu przeprowadzenia oczyszczania biochemicznego ścieki zawierające produkty naftowe miesza się z odpadami bytowymi.[...]

Zaleca się, aby oczyszczanie biochemiczne ścieków z rafinerii ropy naftowej było przeprowadzane w mieszaninie ze ściekami bytowymi lub ściekami z zakładów petrochemicznych.[...]

Biochemiczne oczyszczanie ścieków opiera się albo na wykorzystaniu szerokiej gamy mikroorganizmów wodnych wchodzących w skład różnych cenoz – osadów, biofilmu itp., albo na wykorzystaniu przystosowanych, wysoce aktywnych mikroorganizmów, zwłaszcza ich związków, albo wreszcie na wykorzystaniu wprowadzenie do technologii oczyszczania immobilizowanych (adsorbowanych lub chemicznie utrwalonych na powierzchniach stałych) katalizatorów biologicznych – enzymów.

Biochemiczne oczyszczanie ścieków ze względu na ich niezwykle wysokie stężenie i zasadowość staje się możliwe dopiero po zmniejszeniu ich aktywnego odczynu i BZT poprzez zakwaszenie, a następnie fermentację w komorach fermentacyjnych (1, 4).[...]

Biochemiczne oczyszczanie ścieków odbywa się w wyniku złożonego zestawu powiązanych ze sobą procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych. Z tego powodu rozwiązanie zagadnień niezawodnej automatycznej kontroli systemów napowietrzania ścieków jest złożonym i bardzo pilnym zadaniem praktycznym. Systemy napowietrzania ścieków znajdują szerokie zastosowanie w oczyszczalniach o różnej wydajności. Wysoka energochłonność tych systemów prowadzi do znacznych kosztów operacyjnych.[...]

Biochemiczne oczyszczanie ścieków z zanieczyszczeń organicznych odbywa się pod wpływem złożonego kompleksu organizmów rozwijających się w osadzie czynnym oczyszczalni. Osad czynny to kłaczkowaty osad przypominający płatki wodorotlenku żelaza i składa się głównie z bakterii otoczonych zoożelami śluzu; zawiera także promieniowce, grzyby wodne i drożdże. Skład jakościowy i ilościowy poszczególnych grup osadu czynnego zależy od składu i stężenia substancji zanieczyszczających w wodzie uzdatnionej. W wodzie zbiorników napowietrzających mogą występować pierwotniaki. Z fizykochemicznego punktu widzenia osad czynny jest koloidem występującym w pH=4-9 i posiadającym ładunek ujemny.[...]

Biochemiczny proces oczyszczania ścieków może przebiegać w warunkach tlenowych i beztlenowych. Pierwszy zachodzi w obecności tlenu rozpuszczonego w wodzie. Proces ten jest w istocie modyfikacją naturalnego procesu samooczyszczania zbiorników wodnych występującego w przyrodzie. Biologiczne utlenianie początkowych organicznych zanieczyszczeń ścieków w warunkach tlenowych przez bakterie heterotroficzne prowadzi do powstania nowej biomasy zawierającej dwutlenek węgla, wodę i biologicznie nieutleniające się substancje rozpuszczone. Do tlenowego biochemicznego oczyszczania ścieków wykorzystuje się głównie stawy biologiczne, laguny napowietrzane, biofiltry i zbiorniki napowietrzające. Najbardziej rozpowszechnionymi metodami biooczyszczania ścieków przemysłowych są procesy z wykorzystaniem osadu czynnego, prowadzone w zbiornikach napowietrzających [...]

Biochemiczne oczyszczanie ścieków, w zależności od wymagań dotyczących zrzutu ścieków do zbiornika, może być całkowite lub niepełne (patrz § 87).[...]

Oczyszczanie biochemiczne jest jedną z głównych metod oczyszczania ścieków rafineryjnych, zarówno przy ich ponownym wykorzystaniu w systemach zaopatrzenia w wodę obiegową, jak i podczas odprowadzania do zbiornika. Obecnie główną konstrukcją biochemicznego oczyszczania ścieków jest zbiornik napowietrzający. Jednakże długi czas oczyszczania ścieków w zbiornikach napowietrzających, znaczna pojemność obiektów oraz duże zużycie powietrza i energii elektrycznej zmuszają do poszukiwania sposobów na intensyfikację tego procesu w celu zmniejszenia kosztów kapitałowych i operacyjnych.[...]

Podczas biochemicznego oczyszczania ścieków fenole jednowodorotlenowe (sam fenol, krezole) łatwo ulegają utlenieniu do dwutlenku węgla i wody. Natomiast utlenianie fenoli o bardziej złożonej budowie, a także naftoli, antroli, a zwłaszcza fenoli di- i wielowodorotlenowych (np. hydrochinon, pirokatechina) jest znacznie trudniejsze i towarzyszy mu powstawanie szeregu związków biochemicznych stabilne produkty organiczne. [...]

Miejscowe oczyszczanie ścieków z emulgatorów nie ulegających rozkładowi biochemicznemu. Nekal, szeroko stosowany w przemyśle jako emulgator, nie ulega zniszczeniu w procesie biochemicznego oczyszczania ścieków, a w określonych stężeniach hamuje procesy nitrowania i utleniania innych związków organicznych. Ponadto obecność nekala w wodzie znacząco pogarsza jego właściwości organoleptyczne. Możliwość zastosowania metody wymiany jonowej do ekstrakcji nekalu z wody płuczkowej opiera się na zdolności silnie zasadowych anionitów (np. AB-16) do selektywnej wymiany jonu chloru na anion kwasu bgor-butylonaftalenosulfonowego. Regenerację wymieniacza anionowego przeprowadza się wodno-alkoholowymi roztworami chlorku sodu. Po oddestylowaniu alkoholu i części wody z roztworu regeneracyjnego i jego ochłodzeniu, nekal wytrąca się w postaci kryształów, a ług macierzysty powraca do cyklu wymiany jonowej czyli regeneracji.[...]

Urządzenia do biochemicznego oczyszczania ścieków stanowią zazwyczaj końcowe ogniwo kompleksu oczyszczalni, dlatego dwa ostatnie rozdziały poświęcone są opisowi metod ich kontroli i regulacji. W rozdziale VII omówiono nowe przyrządy do pomiaru rozpuszczonego tlenu, BZT, stężenia osadu czynnego, potencjału redoks oraz mierniki poziomu specjalnego. Część z tych urządzeń została opracowana w Związku Radzieckim przy udziale autorów i ich współpracowników i po raz pierwszy została opisana w prasie nieperiodycznej. Na treść rozdziału VIII składa się materiał kilku nowych prac poświęconych budowie modelu matematycznego procesu chemicznego i obróbki chemicznej oraz analizie i syntezie układów jego sterowania.[...]

W związku z tym ścieki zawierające kwasy tłuszczowe należy poddać możliwie całkowitemu oczyszczeniu różnymi metodami fizykochemicznymi, doprowadzając zawartość kwasów tłuszczowych do 1,5 g/l (BZT ogółem 1500-2000 mg 02/l). Biochemiczne oczyszczanie ścieków o większym stężeniu kwasów tłuszczowych nieuchronnie prowadzi do nieodwracalnej utraty dużej liczby cennych produktów przemysłowych

Inną metodą biochemicznego oczyszczania ścieków jest tworzenie stawów biologicznych, które wykorzystują zdolność samooczyszczania naturalnych wód. Stawy biologiczne to zbiorniki o powierzchni 0,5-1,0 ha, w których można oczyszczać ścieki w warunkach tlenowych i beztlenowych. Stawy beztlenowe służą do wstępnego oczyszczania ścieków o dużym stężeniu: w ciągu 30–50 dni BZT w wodzie zmniejsza się o 50–70%. Głębokość takich stawów sięga 2,5-3 m [...]

W Związku Radzieckim oczyszczanie biochemiczne jest jedną z głównych metod oczyszczania ścieków zawierających ropę przed zrzutem do zbiorników wodnych. Należy zauważyć, że głównymi najskuteczniejszymi konstrukcjami biochemicznego oczyszczania ścieków w krajowych rafineriach i zakładach petrochemicznych są zbiorniki napowietrzające. Porównując ogólny stan biochemicznego oczyszczania ścieków z rafinerii i zakładów petrochemicznych w ZSRR i za granicą, można stwierdzić, że nasz kraj plasuje się na poziomie wiodących krajów zagranicznych, a nawet przewyższa wiele krajów pod względem głębokości oczyszczania. ..]

Istota procesu oczyszczania biochemicznego. Po raz pierwszy w ZSRR metodę biochemicznego oczyszczania ścieków w elektrowni jądrowej zaproponowali w 1975 roku Ya.A. Karelin i G.I. Ta metoda oczyszczania ścieków opiera się na zdolności mikroorganizmów do wykorzystania w celach odżywczych substancji organicznych znajdujących się w ściekach (kwasy organiczne, alkohole, białka, węglowodany itp.), które są dla nich źródłem węgla. Niezbędne do życia azot, fosfor i potas mikroorganizmy pozyskują z różnych związków: azot – z amoniaku, azotany, aminokwasy, fosfor i potas – z soli mineralnych.[...]

Proces biochemicznego oczyszczania ścieków z substancji organicznych w zbiornikach napowietrzających składa się z następujących etapów: adsorpcji i koagulacji cząstek zawieszonych i koloidalnych przez osad czynny, utleniania rozpuszczonych i zaadsorbowanych związków organicznych przez mikroorganizmy, nitryfikacji i regeneracji osadu czynnego. Nadmiar osadu czynnego jest usuwany z konstrukcji.[...]

Drugą ważną metodą biochemicznego oczyszczania ścieków jest ich napowietrzanie w zbiornikach napowietrzających z osadem czynnym. Mechanicznie oczyszczone ścieki wprowadzane są do otwartych zbiorników korytarzowych i intensywnie mieszane z odpowiednią ilością powietrza poprzez barbotowanie lub za pomocą urządzeń mieszających (szczotek lub mieszadeł). Aktywne bakterie osadu tworzą kłaczki swobodnie zawieszone w wodzie. W odpowiednich odstępach czasu (minimum 1 godzina) oczyszczone ścieki odprowadzane są do osadzania; część osadu czynnego zawraca się do zbiornika napowietrzającego, a nadmiar usuwa się.[...]

Opracowano technologię biochemicznego oczyszczania ścieków z jonów metali ciężkich: Cr, Cu2+, 2n2+, Ni2+, Fe2+, Fe3+. Istotą metody jest oczyszczanie ścieków kulturą akumulacyjną bakterii redukujących siarczany, które w warunkach beztlenowych w obecności żywienia organicznego redukują zawarte w wodzie siarczany do nierozpuszczalnych siarczków, które łatwo osadzają się i usuwają w wodzie. postać osadu. Proces oczyszczania odbywa się w specjalnych obiektach – bioreduktorach [...]

Zanieczyszczenie wód fenolowych smołą węglową zwykle mieści się w granicach 0,5 g/dm3, w niektórych okresach może wzrosnąć do 1 g/dm3 i więcej. Zanieczyszczenia substancjami zawieszonymi, głównie osadami bakteryjnymi, powstają podczas biochemicznego oczyszczania ścieków i wahają się do 1 g/dm3. Według badań optymalna temperatura osadzania się wód fenolowych wynosi 35-40°C, pH 7,0-7,5.[...]

Jednym z najważniejszych zadań biochemicznego oczyszczania ścieków w zbiornikach napowietrzających jest dostarczenie tlenu mikroorganizmom utleniającym zanieczyszczenia organiczne zawarte w wodzie. Proces oczyszczania ścieków w zbiorniku napowietrzającym składa się z szeregu równoległych i następujących po sobie etapów przemiany substancji biorących udział w reakcjach biochemicznych. Zmiany zachodzące z tlenem można przedstawić w następujący sposób. Kiedy do wody dostarczane jest powietrze, tworzą się pęcherzyki, z których tlen przedostaje się do mieszaniny osadu i mieszając jest w niej równomiernie rozprowadzany. Następnie rozpuszczony tlen jest adsorbowany przez komórki bakteryjne wchodzące w skład klap osadu czynnego i zużywany na utlenianie substancji organicznych również zaadsorbowanych przez klapy osadu. W wyniku syntezy białek w komórce i jej podziału powstają nowe organizmy żywe. Ponadto tworzą się produkty rozkładu substancji organicznych – dwutlenek węgla, woda, produkty niepełnego rozkładu zanieczyszczeń organicznych, które z bawełny osadu czynnego usuwane są do wody. Gazowe produkty rozkładu są usuwane z wody w procesie napowietrzania.[...]

Kolejnym problemem związanym z biochemicznym oczyszczaniem ścieków układu II jest zawartość w nich substancji trudnych do utlenienia (ropa naftowa i produkty naftowe), różnych związków siarki, fenoli, a także znacznej ilości soli mineralnych [.. .]

Ustalono, że przebieg procesu biochemicznego oczyszczania ścieków zależy od zależności pomiędzy ilością rozpuszczonego tlenu (utleniacza), rozpuszczonych i zdyspergowanych substancji organicznych (reduktory) oraz enzymów wytwarzanych przez bakterie (katalizatory). Potencjał redoks pozwala bezpośrednio wyznaczyć te stosunki, wyrażając je w jednostkach potencjału elektrycznego – miliwoltach.[...]

Przy projektowaniu biochemicznych oczyszczalni ścieków i analizie ich pracy najczęściej wykorzystuje się następujące parametry projektowe: szybkość utleniania biologicznego, współczynniki stechiometryczne akceptorów elektronów, szybkość wzrostu i właściwości fizyczne biomasy osadu czynnego. Badanie zmian chemicznych w związku z przemianami biologicznymi zachodzącymi w bioreaktorze pozwala uzyskać w miarę pełne zrozumienie działania konstrukcji. W przypadku systemów beztlenowych, do których zaliczają się filtry beztlenowe, taka informacja jest potrzebna do zapewnienia optymalnej wartości pH środowiska, która jest głównym czynnikiem normalnej pracy oczyszczalni. W niektórych systemach tlenowych, np. tych, w których zachodzi nitryfikacja, konieczna jest również kontrola pH, aby zapewnić optymalne tempo wzrostu drobnoustrojów. W przypadku zamkniętych oczyszczalni, które weszły w życie pod koniec lat 60. XX wieku i które wykorzystują czysty tlen (zbiornik tlenowy), badanie interakcji chemicznych stało się konieczne nie tylko w celu regulacji pH, ale także w celu obliczeń inżynierskich wyposażenia gazociągów. ...]

Produkty naftowe hamują proces biochemicznego oczyszczania ścieków w zbiornikach napowietrzających już przy stężeniu 50 mg/l. Film olejowy na powierzchni wody nasyca pióra ptaków wędrownych, nie mogą one odlecieć i umrzeć.[...]

Zadaniem technologii sanitarnej jest nie tylko oczyszczanie ścieków, ale także oddzielenie oczyszczonej cieczy od całej masy organizmów prowadzących proces. Dlatego jednym z warunków pracy obiektów podczas biochemicznego oczyszczania ścieków jest powstawanie osadu czynnego bawełnianego, zdolnego do szybkiej sedymentacji. Przed pracą McKinneya i wsp. uważano, że właściwość tworzenia bawełny z osadu czynnego jest nieodłączna tylko dla 1oots 1oea gate eta.[...]

Zastosowanie zagęszczonych cenoz gwałtownie przyspieszyło biochemiczne oczyszczanie ścieków z zanieczyszczeń chemicznych. Zatem oczyszczanie ścieków zawierających ropę z dodatkiem ścieków bytowych (stosunek 5:1) zawierających 10 -150 mg/l produktów naftowych, ChZT średnio 1080 mg 02/l, VPK5 120 mg/l, BPKP0LN 340 mg 02/l, wskaźnik biochemiczny 0,31, charakteryzował się następującymi wskaźnikami. Niepełne oczyszczanie biochemiczne w jednym etapie z czasem napowietrzania 2-2,5 godziny i stężeniem osadu czynnego 18 g/l zmniejszyło ChZT o 80%, zawartość produktów naftowych o 75%, BZT5 o 70%, BZT całkowity o 72%. [ ..]

Program amerykański przewiduje odsalanie wszystkich ścieków rafineryjnych, co prowadzi do około 3-krotnego wzrostu (w przeliczeniu na udział ścieków z oczyszczalni ścieków) kosztów inwestycyjnych odsalania. Drugą cechą związaną z dodatkowymi kosztami jest biochemiczne oczyszczanie ścieków z ELOU w ramach ogólnego przepływu instalacji. Schemat ten natomiast przewiduje usuwanie z bloków wodnych wód podmuchowych, jako nie wymagających oczyszczania, z pominięciem oczyszczalni (z późniejszym wymieszaniem z ogólnym przepływem oczyszczanych ścieków z oczyszczalni przed wspólnym odsalaniem). Rozwiązanie to zmniejsza nakłady inwestycyjne na system oczyszczania ścieków o około jedną trzecią (w przeliczeniu na udział wody ze spustu wieży chłodniczej). Należy również zaznaczyć, że przy takim oddzielaniu znacznie zmniejsza się zawartość inhibitorów, biocydów i innych dodatków w ściekach przed oczyszczaniem biochemicznym. W warunkach zagranicznych rafinerii taka separacja ścieków jest możliwa dzięki stałej kontroli wycieków produktów naftowych, które są głównym źródłem zanieczyszczenia wody obiegowej substancjami organicznymi.

Głównym kierunkiem doskonalenia organizacji biochemicznego oczyszczania ścieków było tradycyjnie tworzenie dużych struktur klastrowych (miejskich). Korzyści ekonomiczne tego kierunku wynikają z wyraźnego efektu zagęszczania kruszywa w procesach oczyszczania. Wraz ze wzrostem koncentracji procesów produkcyjnych koszty rosną monotonicznie, natomiast koszty stałe i zmienne rosną w różnym stopniu. Pozwala to na realizację procedury doboru typu konstrukcji jako optymalizacyjnej. Ponieważ większość rodzajów kosztów produkcji (zwłaszcza koszty związane z wytworzeniem i użytkowaniem środków trwałych) rośnie w mniejszym stopniu niż skala działalności produkcyjnej, konkretne wartości tych kosztów w przeliczeniu na jednostkę objętości oczyszczonych ścieków lub masę zanieczyszczeń wydobyte z nich są redukowane. [...]

Akrylonitryl ma szkodliwy wpływ na biochemiczne oczyszczalnie ścieków; stężenie większe niż 20 mg/l hamuje fermentację osadów ściekowych w warunkach beztlenowych.[...]

Podstawą opracowania metod dwu- i wielostopniowego biochemicznego oczyszczania ścieków jest koncepcja hodowli osadów czynnych na oczyszczalniach, przystosowanych do utleniania określonych grup zanieczyszczeń organicznych. Uważa się, że im bliższa jest adaptacja (specjalizacja) osadu czynnego do danego rodzaju zanieczyszczeń, tym skuteczniejszy jest proces biochemicznego oczyszczania. Jednym ze sposobów inżynieryjnej realizacji tego pomysłu jest stworzenie krok po kroku oczyszczania biochemicznego, na każdym etapie którego działa określona kultura osadu czynnego. Oczywiste jest, że im większa jest różnica w szybkościach utleniania biochemicznego poszczególnych składników ścieków, im wyższe są ich początkowe stężenia, tym skuteczniejsze jest zastosowanie stopniowego schematu oczyszczania.[...]

Najważniejszym problemem przy zakładaniu i uruchamianiu biochemicznych oczyszczalni ścieków jest osadzanie się osadu czynnego w zbiornikach napowietrzających lub biofilmu w filtrach biologicznych.[...]

Oxytenek VNIIvodgeo to kombinowana instalacja biochemicznego oczyszczania ścieków z wykorzystaniem tlenu technicznego. Aby osiągnąć maksymalną efektywność wykorzystania tlenu dostarczanego do konstrukcji, część zbiornika tlenu (reaktora), w którym mieszanina osadów nasycona jest tlenem, jest uszczelniona. Oddzielenie oczyszczonej wody od osadu czynnego następuje w otwartym zbiorniku separatora osadu. Mieszanie mieszaniny osadu i nasycanie ją tlenem odbywa się za pomocą mechanicznego aeratora powierzchniowego; tlen dostaje się do zbiornika tlenu automatycznie w miarę spadku ciśnienia gazu w strefie reakcji. Usuwanie gazów obojętnych (azot i dwutlenek węgla) jest również zautomatyzowane. Oxytenek VNIIvodgeo działa na zasadzie napowietrzającego mieszalnika zbiornikowego, zapewniając pełne biochemiczne oczyszczanie ścieków przemysłowych za pomocą BYKP0LN - 250-300 mg 02/l.[...]

Najbardziej rozpowszechnione są małogabarytowe blokowe oczyszczalnie biochemicznego oczyszczania ścieków na bazie osadu czynnego typu KU, o wydajności od 25 do 400 m3/dobę. Ścieki zawierające kondensat powstają na różnych etapach produkcji gazu i oczyszczania pola. Są to przede wszystkim ścieki uzyskiwane w głównym procesie produkcyjnym (woda kondensacyjna i złożowa z separatorów, woda zwrotna z desorberów, woda z pomp kondensatu chłodzącego), stanowiące do 90%, a także ścieki z obiektów pomocniczych. Głównymi zanieczyszczeniami ścieków z zakładów przetwórstwa gazu są także metanol, glikole i kondensat gazowy.[...]

Różnica między ChZT i BZT charakteryzuje się obecnością zanieczyszczeń, które nie ulegają utlenieniu biochemicznemu oraz ilością substancji organicznych wykorzystywanych do budowy komórek drobnoustrojów. Dla ścieków bytowych BODtotal wynosi 85-90% ChZT. Na podstawie stosunku BZTtotal/ChZT można ocenić możliwość zastosowania określonej metody oczyszczania ścieków. Jeżeli stosunek BZT/ChZT wynosi >0,5, oznacza to możliwość zastosowania biochemicznego oczyszczania ścieków; przy stosunku BZT/ChZT [...]

Fińska firma Ekora opatentowała instalacje typu HKN, które wykorzystują biochemiczne oczyszczanie ścieków z wprowadzeniem odczynników przed zbiornikiem napowietrzającym (jednoczesna sedymentacja). Instalacja pracuje okresowo, dlatego polecana jest do obiektów o dużych wahaniach natężenia przepływu i składu ścieków. Przeznaczona jest do oczyszczania ścieków pochodzących od 2500 mieszkańców. Instalacja wykonana jest w technologii żelbetowej i składa się z dwóch zbiorników – odbiorczego oraz zbiornika napowietrzającego. Jego działanie jest zautomatyzowane i kontrolowane w zależności od poziomu cieczy w zbiorniku napowietrzającym za pomocą zaworu upustowego. Ścieki dostają się do zbiornika odbiorczego i są pompowane za pomocą podnośnika powietrznego do zbiornika napowietrzającego. Odczynnik jest dostarczany do linii zasilającej. Jednocześnie napełniany jest zbiornik napowietrzający i oczyszczane są w nim ścieki. Cykl napełniania zaplanowano na 21 godzin. Firma zaleca jego konserwację przez okres 5 do 2 godzin. Po napełnieniu zbiornika dmuchawa zostaje wyłączona, co skutkuje zatrzymaniem napowietrzania i dopływu ścieków do zbiornika napowietrzającego podnośnikiem powietrznym. W zbiorniku napowietrzającym ścieki osadzają się przez 1,5 godziny (od 2 godzin do 3 godzin 30 minut). Następnie otwiera się zawór wylotowy i oczyszczone ścieki wypływają ze zbiornika napowietrzającego. Koniec rury wylotowej w zbiorniku napowietrzającym jest podtrzymywany przez pływak znajdujący się w górnej części zbiornika napowietrzającego. Ze względu na to, że rurociąg zmienia swoje położenie na wysokości, posiada złącze obrotowe.[...]

Obiecującym kierunkiem rozwoju wysokosprawnej technologii uzdatniania wody są badania wpływu pola elektrycznego na obiekty biologiczne, w tym na mikroorganizmy realizujące procesy biochemicznego oczyszczania ścieków w bioutleniaczach i neutralizacji powstałych osadów w komorach fermentacyjnych, fermentatory itp. Wiadomo, że działanie umiarkowane Pole elektryczne stymuluje wzrost i aktywność bakterii, zwiększając ich zdolność utleniającą w stosunku do organicznych zanieczyszczeń wody. Kierunek ten stawia szereg konkretnych zadań w badaniu tego fenomenologicznego czynnika, którego rozwiązanie może mieć istotny wpływ na intensyfikację procesów bioutleniania zanieczyszczeń organicznych zawartych zarówno w ściekach, jak i w powstałym osadzie. .]

W artykule Ya. A. Karelina, opublikowanym w 1959 r., przedstawiono wyniki badań biochemicznego oczyszczania ścieków z elektrycznej odsalarki (EDU), które przechodziły przez łapacz oleju, przy rozcieńczaniu odpływu 1:1. Mieszanka składający się z płynu kałowego i 0,5 objętości warunkowo czystej wody. Doświadczenia przeprowadzono na instalacji półprodukcyjnej.[...]

W ostatnim czasie zarówno za granicą, jak i w naszej praktyce badawczej, do oceny postępu procesu biochemicznego oczyszczania ścieków, zaczęto wykorzystywać potencjał oksydacyjno-redukcyjny, zwany inaczej potencjałem redoks pho. Wskaźnik ten pełniej charakteryzuje proces utleniania biochemicznego niż np. ilość rozpuszczonego tlenu. Dodatkowo na podstawie wartości pho można dokonać bardziej obiektywnej oceny procesu w przypadkach, gdy w zanieczyszczeniu znajdują się substancje toksyczne dla mikroorganizmów, a proces ulega zahamowaniu pomimo obecności wystarczającej ilości tlenu.[...]

Dalszy proces regeneracji osadu czynnego może odbywać się albo w samym obiekcie przeprowadzającym oczyszczanie biochemiczne (zbiornik napowietrzający), albo w wydzielonym obiekcie (regenerator). W pierwszym przypadku do czasu adsorpcji dodaje się czas regeneracji i na podstawie sumy czasu oblicza się strukturę przepływu ścieków; w drugim przypadku konstrukcję (zbiornik napowietrzający) można zaprojektować tylko na przepływ ścieków przez czas niezbędny do adsorpcji, a regenerator na czas regeneracji tylko dla przepływu w nim osadu czynnego, którego przepływ jest znacznie mniejszy niż przepływ ścieków. Dlatego pod pewnymi warunkami drugi przypadek pod względem konstrukcyjnym i operacyjnym może być bardziej opłacalny niż pierwszy. Aby móc rozwiązać ten problem, projektant biochemicznych oczyszczalni ścieków musi określić czas potrzebny na proces adsorpcji substancji organicznych przez osad czynny oraz czas potrzebny na proces jego regeneracji.[...]

Biologiczną metodę regeneracji węgla aktywnego w warunkach tlenowych najczęściej stosuje się w procesie biochemicznego oczyszczania ścieków w przypadku adsorpcji substancji organicznych ulegających rozkładowi biologicznemu.

Przed wprowadzeniem ścieków do oczyszczalni biochemicznej, ścieki sukcesywnie przechodzą przez dół awaryjny, piaskowniki, odolejacze, dodatkowe stawy osadowe, filtry piaskowe lub flotatory itp. Zadaniem tych obiektów jest jak najpełniejsze usunięcie zanieczyszczeń do maksymalnych dopuszczalnych stężeń dla leczenie biochemiczne. W przypadku nieprawidłowej pracy tych struktur i przedostania się zanieczyszczeń w większych stężeniach, praca instalacji oczyszczania biochemicznego zostanie zakłócona.[...]

Taka ilość odpadów z gospodarstw domowych odpowiada odprowadzaniu ścieków przez miasto liczące 450-500 tys. mieszkańców. Uzyskanie takiej ilości wody użytkowej do oczyszczenia ścieków z rafinerii ropy naftowej jest niemożliwe (nierealne). Tym samym nie jest możliwe przeprowadzenie pełnego biochemicznego oczyszczania ścieków z instalacji przerabiającej oleje wysokosiarkowe przy użyciu demulgatora NChK.[...]

Coraz bardziej rozpowszechniony stał się schemat dwustopniowy, w którym biofiltry pierwszego stopnia zastępuje się zbiornikami napowietrzającymi. Takie zastąpienie przy oczyszczaniu ścieków przemysłowych z zakładów chemicznych jest w pełni uzasadnione i celowe, gdyż umożliwia kierowanie ścieków o wyższych stężeniach substancji organicznych do oczyszczalni biochemicznych (tabela U1H-7).[...]

W zależności od przeznaczenia osadników w schemacie technologicznym oczyszczalni dzieli się je na pierwotne i wtórne. Osadniki pierwotne nazywane są osadnikami znajdującymi się przed obiektami biochemicznego oczyszczania ścieków; wtórne - osadniki przeznaczone do klarowania ścieków poddanych oczyszczaniu biochemicznemu.[...]

W procesie żerowania mikroorganizmy otrzymują materiał na swoją budowę, w wyniku czego zwiększa się masa bakterii osadu czynnego, a w procesie oddychania wykorzystują tlen z powietrza. Substancje organiczne zawarte w ściekach ulegają mineralizacji w wyniku procesów utleniania, a końcowymi produktami utleniania są dwutlenek węgla i woda. Niektóre związki organiczne nie ulegają całkowitemu utlenieniu; powstają produkty pośrednie. W procesie biochemicznego oczyszczania ścieków siarkowodór utlenia się także do siarki i kwasu siarkowego, a amoniak do kwasu azotawego i azotowego (nitryfikacja).[...]

Większość organizmów heterotroficznych pozyskuje energię w wyniku biologicznego utleniania substancji organicznych - oddychania. Wodór z substancji utlenionej (patrz § 24) przekazywany jest do łańcucha oddechowego. Jeśli rolę końcowego akceptora wodoru pełni tylko tlen, proces ten nazywa się oddychaniem tlenowym, a mikroorganizmy są ścisłymi (obowiązkowymi) tlenowcami, które mają kompletny łańcuch enzymów przenoszących (patrz ryc. 14) i są w stanie żyć tylko przy wystarczającej ilości ilość tlenu. Do mikroorganizmów tlenowych zalicza się wiele rodzajów bakterii, bakterii, glonów i większości pierwotniaków. Saprofity tlenowe odgrywają główną rolę w procesach biochemicznego oczyszczania ścieków i samooczyszczania zbiornika.

Metody te służą do oczyszczania ścieków bytowych i przemysłowych z wielu rozpuszczonych substancji organicznych i niektórych nieorganicznych (siarkowodór, amoniak, siarczki, azotyny itp.). Proces oczyszczania opiera się na zdolności niektórych mikroorganizmów do wykorzystania określonych substancji do celów odżywczych: substancje organiczne dla mikroorganizmów są źródłem węgla. Mikroorganizmy częściowo je niszczą, przekształcając jony CO 2, H 2 O, azotanowe i siarczanowe, a częściowo wykorzystują je do tworzenia własnej biomasy. Proces oczyszczania biochemicznego jest w swej istocie naturalny, jego charakter jest taki sam dla procesów zachodzących zarówno w naturalnych zbiornikach, jak i w oczyszczalniach ścieków.

Utlenianie biologiczne przeprowadzane jest przez zbiorowisko mikroorganizmów (biocenoza), w skład którego wchodzi wiele różnych bakterii, pierwotniaki i organizmy bardziej zorganizowane (glony, grzyby) , połączone w jeden kompleks złożonymi relacjami. Ta wspólnota nazywa się osad czynny, zawiera od 106 do 1014 komórek na 1 g suchej biomasy (około 3 g mikroorganizmów na 1 kg). 1 litr ścieków).

Znane są tlenowe i beztlenowe metody biochemicznego oczyszczania ścieków.

Proces aerobowy. Do jego realizacji wykorzystuje się grupy mikroorganizmów, których życie wymaga stałego przepływu tlenu (2 mg0 2 /l), temperatury 20-30°C, pH 6,5-7,5, stosunku składników odżywczych BZT: N: P nie więcej niż 100 : 5: 1. Ograniczeniem metody jest zawartość substancji toksycznych nie większa niż: tetraetyloołowiu 0,001 mg/l, berylu, tytanu, Cr 6+ i związków tlenku węgla 0,01 mg/l, bizmutu, wanadu, kadm i związki niklu 0,1 mg/l, siarczan miedzi 0,2 mg/l, cyjanek potasu 2 mg/l.

Tlenowe oczyszczanie ścieków odbywa się w specjalnych konstrukcjach: stawach biologicznych, zbiornikach napowietrzających, tlenowniach, biofiltrach.

Stawy biologiczne przeznaczone do biologicznego oczyszczania oraz do doczyszczania ścieków w połączeniu z innymi oczyszczalniami. Wykonane są w formie kaskady stawów składającej się z 3-5 stopni. Proces oczyszczania ścieków realizowany jest według następującego schematu: bakterie wykorzystują do utlenienia substancji zanieczyszczających tlen wydzielany przez glony podczas fotosyntezy oraz tlen z powietrza. Glony z kolei pochłaniają tlenek węgla, fosforany i azot amonowy powstający podczas biochemicznego rozkładu materii organicznej. Dlatego do normalnej pracy stawów konieczne jest utrzymanie optymalnych wartości pH i temperatury ścieków. Temperatura musi wynosić co najmniej 6°C, dlatego zimą ze stawów nie korzysta się.

Wyróżnia się stawy z napowietrzeniem naturalnym i sztucznym. Głębokość stawów z naturalnym napowietrzeniem powierzchniowym z reguły nie przekracza 1 m. W przypadku sztucznego napowietrzania stawów za pomocą aeratorów mechanicznych lub przedmuchu słupa wody ich głębokość wzrasta do 3 m. Zastosowanie sztucznego napowietrzania przyspiesza procesy oczyszczania wody . Należy również zwrócić uwagę na wady stawów: niską zdolność utleniającą, sezonowość pracy i potrzebę dużych powierzchni.

Konstrukcje do sztucznego oczyszczania biologicznego ze względu na umiejscowienie w nich aktywnej biomasy można podzielić na dwie grupy:

Aktywna biomasa zawieszona jest w oczyszczonych ściekach (aerozbiorniki, oxytanki);

Aktywna biomasa osadzona jest na nieruchomym materiale, a ścieki opływają ją cienką warstwą (biofiltry).

Zbiorniki lotnicze Są to zbiorniki żelbetowe, na planie prostokąta, podzielone przegrodami na osobne korytarze.

Aby utrzymać osad czynny w zawiesinie, należy go intensywnie wymieszać i nasycić oczyszczoną mieszaninę tlenem z powietrza, w zbiornikach napowietrzających instaluje się różne systemy napowietrzania (najczęściej mechaniczne lub pneumatyczne). Ze zbiorników napowietrzających mieszanina oczyszczonych ścieków i osadu czynnego trafia do osadnika wtórnego, skąd osiadły na dnie osad czynny odprowadzany jest do zbiornika przepompowni za pomocą specjalnych urządzeń (pompy osadu), a oczyszczony ścieki są dostarczane albo do dalszego oczyszczania, albo poddawane dezynfekcji.

Do pneumatycznego napowietrzania ścieków zamiast powietrza można dostarczać czysty tlen. Do takiego procesu używają oksitenki, nieco różniące się konstrukcją od zbiorników napowietrzających. Zdolność utleniająca oksytenków jest 3 razy większa niż tych ostatnich.

Biofiltry stosowane są przy dobowym zużyciu ścieków bytowych i przemysłowych do 20-30 tys. m 3 na dobę. Biofiltry to zbiorniki o planie okrągłym lub prostokątnym, które wypełnione są materiałem załadowczym. W zależności od charakteru załadunku biofiltry dzieli się na dwie kategorie: z obciążeniem objętościowym i płaskim. Materiał objętościowy składający się ze żwiru, keramzytu, żużla o frakcji 15-80 mm wypełnia się warstwą o wysokości 2-4 m. Materiał płaski wykonany jest w postaci twardej (pierścień, elementy rurowe z tworzywa sztucznego, ceramika, metalowe) i miękkie (tkanina walcowana) bloki, które są instalowane w korpusie biofiltra w warstwie o grubości 8 m.

Proces beztlenowy. Tutaj biologiczne utlenianie substancji organicznych zachodzi przy braku tlenu cząsteczkowego z powodu chemicznie związanego tlenu do związków takich jak siarczany, siarczyny i węglany. Proces przebiega dwuetapowo: w pierwszym etapie powstają kwasy organiczne, w drugim etapie powstałe kwasy przekształcają się w metan i CO 2: związki organiczne + 0 2 + bakterie kwasotwórcze -> kwasy lotne + CH 4 + CO 2 + H, + nowe ogniwa + inne produkty - „lotne kwasy + 0 2 + bakterie metanotwórcze -> CH 4 + C0 2 + nowe ogniwa. Główny proces odbywa się w komorach fermentacyjnych, w których przetwarzany jest osad czynny oraz ścieki zagęszczone (zwykle BZT > 5000), zawierające substancje organiczne niszczone przez bakterie beztlenowe podczas fermentacji metanowej. Fermentacja ta zachodzi w naturalnych warunkach na bagnach.

Głównym celem oczyszczania beztlenowego jest zmniejszenie objętości osadu czynnego lub ilości substancji organicznych w ściekach, wytworzenie metanu (w normalnych warunkach do 0,35 m 3 na 1 kg ChZT) oraz osadu dobrze filtrującego i bezwonnego. Osady po filtracji można wykorzystać jako nawóz w produkcji roślinnej (jeżeli zawartość w nich metali ciężkich jest niższa od maksymalnego dopuszczalnego stężenia). Gaz wytwarzany w komorach fermentacyjnych zawiera do 75% (obj.) metanu (reszta to CO 2 i powietrze) i jest wykorzystywany jako paliwo.

Biologiczne oczyszczanie zanieczyszczonych wód można prowadzić w warunkach naturalnych, do czego wykorzystuje się specjalnie przygotowane działki ( pola irygacyjne I filtracja). W takich przypadkach oczyszczająca moc samej gleby jest wykorzystywana do uwolnienia ścieków z zanieczyszczeń. Filtrując przez warstwę gleby, woda opuszcza w niej zawieszone, koloidalne i rozpuszczone zanieczyszczenia. Mikroorganizmy glebowe utleniają zanieczyszczenia organiczne, przekształcając je w proste związki mineralne - dwutlenek węgla, wodę, sole. Pola irygacyjne służą jednocześnie do oczyszczania ścieków oraz uprawy zbóż i roślin kiszonkowych, ziół, warzyw, a także sadzenia krzewów i drzew. Pola filtracyjne służą wyłącznie do oczyszczania ścieków.

Wskaźnik biochemiczny

Wpływ różnych czynników na prędkość

Utlenianie biochemiczne

Szybkość utleniania zależy od stężenia substancji organicznych, równomierności przepływu ścieków do oczyszczenia i zawartości w nich zanieczyszczeń. Dla danego stopnia oczyszczenia głównymi czynnikami wpływającymi na szybkość reakcji biochemicznych są: stężenie przepływu, zawartość tlenu w ściekach, temperatura i pH środowiska, zawartość składników pokarmowych oraz metali ciężkich i minerałów. sole.

Turbulizacja ścieków w oczyszczalniach ścieków pozwala na zwiększenie szybkości oczyszczania. Turbulizację przepływu uzyskuje się poprzez intensywne mieszanie, w którym osad czynny znajduje się w zawiesinie, co zapewnia jego równomierne rozprowadzenie w ściekach.

Najważniejszą właściwością osadu czynnego jest jego zdolność do osiadania. Właściwość sedymentacyjną opisuje wartość wskaźnika osadu, czyli objętość w ml zajmowana przez 1 g osadu w stanie naturalnym po 30 minutach osiadania. Zła sedymentacja osadu prowadzi do zwiększonego usuwania go oczyszczoną wodą i pogorszenia jakości oczyszczania. Dawka osadu czynnego zależy od wskaźnika osadu.

Do czyszczenia należy używać świeżego osadu czynnego, który dobrze osiada i jest bardziej odporny na wahania temperatury i pH otoczenia.

Ustalono, że wraz ze wzrostem temperatury ścieków wzrasta szybkość reakcji biochemicznych. Jednak w praktyce utrzymuje się ją w granicach 20-30°C. Przekroczenie określonej temperatury może doprowadzić do śmierci mikroorganizmów. W niższych temperaturach maleje wydajność oczyszczania, spowalnia proces adaptacji drobnoustrojów do nowych rodzajów zanieczyszczeń, nasilają się procesy nitryfikacji, flokulacji i sedymentacji osadu czynnego. Podniesienie temperatury w optymalnych granicach przyspiesza proces rozkładu substancji organicznych 2-3 razy. Wraz ze wzrostem temperatury ścieków rozpuszczalność tlenu maleje, dlatego też w celu utrzymania wymaganego stężenia w wodzie konieczne jest intensywniejsze napowietrzanie.

Osad czynny jest zdolny do sorpcji soli metali ciężkich . Jednocześnie zmniejsza się aktywność biochemiczna osadów i następuje pęcznienie na skutek intensywnego rozwoju nitkowatych form bakterii.

Niekorzystny wpływ na stopień oczyszczania może mieć także wzrost zawartości substancji mineralnych w ściekach powyżej stężeń dopuszczalnych.

Przeniesienie tlenu z fazy gazowej do komórek mikroorganizmów odbywa się dwuetapowo. W pierwszym etapie tlen przenosi się z pęcherzyków powietrza do masy cieczy, w drugim zaabsorbowany tlen jest przekazywany z masy cieczy do komórek mikroorganizmów, głównie pod wpływem turbulentnych pulsacji.

Ilość zaabsorbowanego tlenu można obliczyć za pomocą równania przenoszenia masy:

gdzie M jest ilością zaabsorbowanego tlenu, kg/s; β V - objętościowy współczynnik przenikania masy, s -1; V – objętość ścieków w obiekcie, m3;

с р, с – stężenie równowagowe i stężenie tlenu w masie cieczy, kg/m3.

W oparciu o równanie przenoszenia masy ilość zaabsorbowanego tlenu można zwiększyć poprzez zwiększenie współczynnika przenikania masy lub siły napędowej. Zmiany siły napędowej są możliwe w wyniku wzrostu zawartości tlenu w powietrzu, zmniejszenia stężenia roboczego lub wzrostu ciśnienia procesu absorpcji. Wszystkie te sposoby są jednak albo nieopłacalne ekonomicznie, albo nie prowadzą do istotnego wzrostu intensywności procesu.

Najbardziej niezawodnym sposobem zwiększenia dopływu tlenu do ścieków jest zwiększenie objętościowego współczynnika przenikania masy.

Aby reakcje utleniania biochemicznego przebiegły pomyślnie, konieczna jest obecność związków w ściekach składniki odżywcze I mikroelementy: N, S, P, K, Mg, Ca, Na, C1, Fe, Mn, Mo, Ni, Co, Zn, Cu itp. Wśród tych pierwiastków najważniejsze to N, P i K, które muszą być obecne w oczyszczaniu biochemicznym wymagane ilości. Zawartość pozostałych pierwiastków nie jest ustandaryzowana, gdyż w ściekach jest ich wystarczająca ilość.

Brak azotu hamuje utlenianie zanieczyszczeń organicznych i prowadzi do powstawania trudno osadzających się osadów. Brak fosforu prowadzi do rozwoju bakterii nitkowatych, co jest główną przyczyną pęcznienia osadu czynnego, złego osadzania i usuwania z oczyszczalni, wolniejszego wzrostu osadu i spadku intensywności utleniania. Pierwiastki biogenne najlepiej wchłaniają się w postaci związków, w jakich występują w komórkach drobnoustrojów: azotu – w postaci grupy amonowej NH 4+ i fosforu – w postaci soli kwasów fosforowych.

W przypadku braku azotu, fosforu i potasu do ścieków wprowadzane są różne nawozy azotowe, fosforowe i potasowe. Odpowiednie związki azotu, fosforu i potasu zawarte są w ściekach bytowych, dlatego przy ich oczyszczaniu razem ze ściekami przemysłowymi nie ma potrzeby dodawania składników odżywczych.

Projekty aerotanków

W osadnik-zbiornik napowietrzający(Rys. 17) strefa napowietrzania jest oddzielona od strefy osadzania. Ścieki dostarczane są do centrum i odprowadzane przez tacę 1. W strefie osadzania tworzy się warstwa zawieszonego osadu czynnego, przez którą ścieki są filtrowane. Nadmiar osadu czynnego usuwany jest rurami ze strefy warstwy zawieszonej, a osad powrotny trafia do strefy napowietrzania.

Ryż. 17. Aerotank-osadnik: 1 – taca; 2 –

To jest inne osadnik zbiornika napowietrzającego(ryc. 18). Ścieki trafiają do strefy napowietrzania, gdzie mieszają się z osadem czynnym i napowietrzają. Następnie mieszaninę przesyła się przez okna 1 do strefy klarowania i strefy odgazowania. W strefie klarowania pojawia się zawieszona warstwa osadu czynnego, przez którą mieszanina osadu jest filtrowana. Oczyszczona woda wpływa do tac i jest usuwana ze zbiornika napowietrzającego.

Ryż. 18. Aerotank-odstojnik: 1 –

W celu zintensyfikowania procesu oczyszczania biochemicznego proponuje się oczyszczanie ścieków przed zbiornikiem napowietrzającym środkami utleniającymi (ozonem) w celu redukcji ChZT. W tym celu opracowano proces oczyszczania ścieków w głębokich kopalniach. Instalują pionowe rury, które sięgają prawie do dna szybu. Ścieki dostarczane są rurami jednocześnie z powietrzem. Pod wpływem wysokiego ciśnienia hydrostatycznego tlen atmosferyczny ulega niemal całkowitemu rozpuszczeniu w ściekach. Jednocześnie wzrasta stopień jego wykorzystania przez mikroorganizmy. Mieszanka osadu unosi się rurą wznośną do góry i po odgazowaniu trafia do osadnika. Oczyszczalnia zajmuje niewielką powierzchnię. Podczas jego działania nie wydzielają się żadne zapachy i osiągany jest wysoki stopień oczyszczenia.

Obróbka osadów

W procesie oczyszczania biochemicznego w osadnikach pierwotnych i wtórnych tworzą się duże masy osadów, które należy unieszkodliwić lub przetworzyć, aby ograniczyć zanieczyszczenie biosfery. Osady ściekowe mogą mieć głównie skład mineralny, głównie organiczny i mieszany. Charakteryzują się zawartością suchej masy, zawartością bezpopiołową, składem pierwiastkowym i składem granulometrycznym.

W osadnikach wtórnych osad zawiera głównie osad czynny nadmierny, którego objętość jest 1,5-2 razy większa od objętości osadu z osadnika pierwotnego. Osady zawierają wodę wolną i związaną, wodę wolną (60-65%) można łatwo usunąć z osadu, wodę związaną (30-35%) jest związaną koloidalnie i higroskopijnie, której usunięcie jest trudne.

Do oczyszczania i neutralizacji osadów stosuje się różne procesy technologiczne, pokazane na ryc. 20.

Zagęszczanie osadu czynnego wiąże się z usunięciem wilgoci swobodnej i jest niezbędnym etapem we wszystkich schematach technologicznych obróbki osadów. Podczas zagęszczania usuwa się średnio 60% wilgoci, a masa osadu zmniejsza się 2,5-krotnie. Do zagęszczania stosuje się metody grawitacyjne, flotacyjne, odśrodkowe i wibracyjne.

Proces stabilizacji osadów ma na celu rozbicie biodegradowalnej części materii organicznej na dwutlenek węgla, metan i wodę. Stabilizację przeprowadza się poprzez płukanie mikroorganizmów w warunkach beztlenowych i tlenowych.

Ryż. 20. Schematy procesów oczyszczania osadów

Kondycjonowanie osadów przeprowadza się w celu zmniejszenia oporności i poprawy uzysku wody na skutek zmian w formach wiązania wody. Kondycjonowanie przeprowadza się metodami odczynnikowymi i bezodczynnikowymi. Gdy osad jest traktowany odczynnikami, następuje koagulacja wraz z pęknięciem otoczki rozpuszczalnika i poprawiają się właściwości uwalniania wody.

Metody przetwarzania bez odczynników obejmują obróbkę cieplną, zamrażanie i osadzanie, utlenianie w fazie ciekłej, elektrokoagulację i napromienianie.

Termiczną obróbkę osadów przeprowadza się w przypadku ich przygotowania do odzysku. Suszenie osadów odbywa się w suszarniach o różnej konstrukcji.

Biochemiczne oczyszczanie ścieków

Ścieki poddane oczyszczaniu fizycznemu i chemicznemu nadal zawierają dość dużą ilość rozpuszczonych, a w niektórych przypadkach silnie rozproszonych zanieczyszczeń organicznych. Dlatego wskazane jest dalsze oczyszczanie takich wód metodą biochemiczną.

Oczyszczanie biochemiczne możliwe jest jedynie w przypadku ścieków przemysłowych zanieczyszczonych substancjami, które mogą zostać utlenione przez mikroorganizmy. Stosuje się aerobowe i beztlenowe metody biochemicznego oczyszczania ścieków. W oczyszczaniu tlenowym mikroorganizmy hoduje się w osadzie czynnym lub biofilmie. Beztlenowe metody czyszczenia zachodzą bez dostępu tlenu; Stosowane są głównie do neutralizacji osadów.

Wśród bakterii w oczyszczalniach ścieków współistnieją heterotrofy i autotrofy, a jedna lub druga grupa rozwija się preferencyjnie, w zależności od warunków pracy systemu.

Te dwie grupy bakterii różnią się pod względem związku ze źródłem pożywienia węglem. Heterotrofy wykorzystują gotowe substancje organiczne jako źródło węgla i przetwarzają je w celu wytworzenia energii i biosyntezy komórek. Organizmy autotroficzne zużywają węgiel nieorganiczny do syntezy komórek, a energię uzyskuje się albo poprzez fotosyntezę przy użyciu energii świetlnej, albo poprzez chemosyntezę poprzez utlenianie niektórych związków nieorganicznych, na przykład amoniaku, azotynów, soli żelazawych, siarkowodoru, siarki elementarnej itp.

Mechanizm biologicznego utleniania w warunkach tlenowych przez bakterie heterotroficzne prowadzi do wzrostu nowej biomasy i uwolnienia CO 2, N 2, P:

materia organiczna + O 2 + N 2 + P → mikroorganizmy + CO 2 + H 2 O + biologicznie nieutleniające się substancje rozpuszczone

mikroorganizmy + O 2 → CO 2 + H 2 O + N + P + biologicznie niezniszczalna część materii komórkowej.

Substancje biologicznie nieutleniające pozostają w oczyszczonych ściekach, głównie w stanie rozpuszczonym, ponieważ Substancje koloidalne i nierozpuszczone są usuwane z wody poprzez sorpcję.

Beztlenowy proces fermentacji metanowej przebiega według następującego schematu:

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

Beztlenowy proces denitryfikacji przebiega w dwóch etapach:

materia organiczna + NO 3 – → NO 2 – + CO 2 + H 2 O;

materia organiczna + NO 2 – → N 2 + CO 2 + H 2 O + OH – .

Wymienione schematy procesów nie wyczerpują wszystkich możliwości bioutleniania, jednakże są to te najczęściej spotykane w praktyce oczyszczania ścieków komunalnych i przemysłowych.

O szybkości i kompletności przemian biochemicznych w procesie oczyszczania ścieków decydują warunki oczyszczania biochemicznego powstałe w konstrukcjach napowietrzających – zbiornikach napowietrzających. Na efektywność procesów utleniania istotny wpływ mają następujące czynniki: centralizacja i decentralizacja dopływu oczyszczonych ścieków i osadu czynnego powrotnego, rodzaj aeratora, cechy konstrukcyjne osadników wtórnych. Badania kinetyki utleniania wykazały, że początkowy etap procesu utleniania od momentu zmieszania ścieków z osadem czynnym w ciągu pierwszych 20-40 minut napowietrzania charakteryzuje się wysokim stopniem aktywności oksydacyjnej bakterii, która następnie maleje wykładniczo.

Głównymi czynnikami wpływającymi na intensywność procesu są:

· Optymalny bilans źródeł żywienia węglem i azotem oraz reżim technologiczny zapewniający tę równowagę; obecność składników odżywczych;

· Wyjątkowa zdolność adaptacji mikroorganizmów do zmieniających się warunków życia;

· Symbiotyczny charakter istnienia związków drobnoustrojów, pozwalający na tworzenie osadu czynnego o podwyższonych właściwościach fizjologicznych.

Aby wytworzyć specyficzną mikroflorę, należy przez długi czas dostarczać do oczyszczalni stężone ścieki o stabilnym składzie. Sprzyja to indukcji enzymów, zmienia rodzaj metabolizmu komórek bakteryjnych i utrwala nabyte cechy dziedzicznie. W efekcie powstaje osad czynny o podwyższonych właściwościach utleniających, co prowadzi do wzrostu mocy oksydacyjnej obiektów biorafinerii. Specyficzna mikroflora osadu czynnego jest zdolna do niwelowania emisji salwowych ze ścieków charakteryzujących się wysokim stężeniem substancji zanieczyszczających.

Wskaźnik biochemiczny

Ścieki kierowane do oczyszczania biochemicznego charakteryzują się wartościami BZT i ChZT.

BZT to biochemiczne zapotrzebowanie na tlen lub ilość tlenu zużyta w procesach biochemicznych utleniania substancji organicznych (z wyłączeniem procesów nitryfikacji) w określonym czasie (2, 5, 8, 10, 20 dni), w mg O 2 na 1 mg substancji. Przykładowo: BZT 5 – biochemiczne zapotrzebowanie tlenu na 5 dni. BZT n to całkowite biochemiczne zapotrzebowanie na tlen przed rozpoczęciem procesów nitryfikacji. ChZT to chemiczne zapotrzebowanie na tlen, tj. ilość tlenu równoważna ilości zużywalnego środka utleniającego wymaganego do utlenienia wszystkich środków redukujących zawartych w wodzie. ChZT wyraża się także w mg O2 na 1 mg substancji.

W przypadku substancji nieorganicznych, które praktycznie nie ulegają utlenieniu, ustala się również maksymalne stężenia. W przypadku przekroczenia takich stężeń woda nie może być poddawana oczyszczaniu biochemicznemu.

Biodegradowalność ścieków charakteryzuje się wskaźnikiem biochemicznym, rozumianym jako stosunek BZT/ChZT.

Wskaźnik biochemiczny jest parametrem niezbędnym do obliczeń i eksploatacji oczyszczalni ścieków przemysłowych. Jego wartości są bardzo zróżnicowane dla różnych grup ścieków. Ścieki przemysłowe mają niski wskaźnik biochemiczny (nie większy niż 0,3); ścieki bytowe - powyżej 0,5. Według biochemicznego wskaźnika stężenia zanieczyszczeń i toksyczności ścieki przemysłowe dzieli się na cztery grupy.

Pierwsza grupa ma wskaźnik biochemiczny powyżej 0,2. Do tej grupy zaliczają się np. ścieki z przemysłu spożywczego (drożdże, skrobia, cukier, browary), bezpośredniej destylacji oleju, syntetycznych kwasów tłuszczowych, koncentratów białek i witamin itp. Zanieczyszczenia organiczne z tej grupy nie są toksyczne dla drobnoustrojów.

Druga grupa ma wskaźnik w przedziale 0,02-0,10. Do tej grupy zaliczają się ścieki z zakładów koksowniczych, nawozów azotowych, koksowniczych, gazowych i sodowych. Wody te po mechanicznym oczyszczeniu można poddać biochemicznemu utlenianiu.

Trzecia grupa ma wskaźnik 0,001-0,01. Dotyczy to na przykład ścieków z procesów sulfonowania. chlorowanie, produkcja olejów i środków powierzchniowo czynnych, zakłady kwasu siarkowego, przedsiębiorstwa metalurgii żelaza, inżynieria ciężka itp. Wody te, po miejscowym oczyszczeniu mechanicznym i fizykochemicznym, można poddać biochemicznemu utlenianiu.

Czwarta grupa ma wartość poniżej 0,001. Ścieki tej grupy zawierają głównie cząstki zawieszone. Do wód tych zaliczają się ścieki z zakładów przerobu węgla, rud itp. Stosuje się do nich metody mechanicznego oczyszczania.

Ścieki pierwszej i drugiej grupy charakteryzują się stosunkowo stałym rodzajem i przepływem zanieczyszczeń. Po oczyszczeniu znajdują zastosowanie w systemach zaopatrzenia w wodę obiegową. Ścieki trzeciej grupy powstają okresowo i charakteryzują się zmiennym stężeniem zanieczyszczeń odpornych na utlenianie biochemiczne. Są zanieczyszczone substancjami dobrze rozpuszczalnymi w wodzie. Wody te nie nadają się do ponownego wykorzystania w wodociągach.

→ Oczyszczanie ścieków

Biochemiczne podstawy biologicznych metod oczyszczania ścieków

Biologiczne metody oczyszczania ścieków opierają się na naturalnych procesach aktywności życiowej mikroorganizmów heterotroficznych. Wiadomo, że mikroorganizmy posiadają szereg szczególnych właściwości, z których należy wyróżnić trzy główne, szeroko stosowane w celach czyszczących:
1. Zdolność do spożywania szerokiej gamy związków organicznych (i niektórych nieorganicznych) jako źródeł pożywienia w celu uzyskania energii i zapewnienia jej funkcjonowania.

2. Po drugie, właściwość ta polega na szybkim mnożeniu. Średnio liczba komórek bakteryjnych podwaja się co 30 minut. Według prof. N.P. Blinova, gdyby mikroorganizmy mogły rozmnażać się bez przeszkód, to przy wystarczającym odżywianiu i odpowiednich warunkach w ciągu 5–7 dni masa tylko jednego rodzaju mikroorganizmów wypełniłaby baseny wszystkich mórz i oceanów. Nie dzieje się tak jednak zarówno ze względu na ograniczone źródła pożywienia, jak i ze względu na istniejącą naturalną równowagę ekologiczną.

3. Zdolność do tworzenia kolonii i nagromadzeń, które po zakończeniu procesów usuwania zawartych w niej zanieczyszczeń można stosunkowo łatwo oddzielić od oczyszczonej wody.

W żywej komórce drobnoustroju w sposób ciągły i jednocześnie zachodzą dwa procesy - rozkład cząsteczek (katabolizm) i ich synteza (anabolizm), które składają się na ogólny proces metaboliczny - metabolizm. Innymi słowy, procesy niszczenia związków organicznych zużywanych przez mikroorganizmy są nierozerwalnie związane z procesami biosyntezy nowych komórek drobnoustrojów, różnych produktów pośrednich lub końcowych, których realizacja pochłania energię otrzymaną przez komórkę drobnoustroju w wyniku spożycie składników odżywczych. Źródłem pożywienia dla mikroorganizmów heterotroficznych są węglowodany, tłuszcze, białka, alkohole itp., które mogą być przez nie rozkładane zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych. Znaczna część produktów przemian drobnoustrojów może zostać uwolniona przez komórkę do środowiska lub w nim akumulowana. Niektóre produkty pośrednie służą jako rezerwa odżywcza, którą komórka wykorzystuje po wyczerpaniu się głównego pożywienia.

Cały cykl relacji między komórką a środowiskiem w procesie usuwania z niej i przemiany składników odżywczych jest wyznaczany i regulowany przez odpowiednie enzymy. Enzymy zlokalizowane są w cytoplazmie oraz w różnych podstrukturach osadzonych w błonie komórkowej, uwalniane na powierzchnię komórki lub do środowiska. Całkowita zawartość enzymów w komórce sięga 40-60% całkowitej zawartości białka w niej, a zawartość każdego enzymu może wynosić od 0,1 do 5% zawartości białka. Co więcej, komórki mogą zawierać ponad 1000 rodzajów enzymów, a każda reakcja biochemiczna przeprowadzana przez komórkę może być katalizowana przez 50-100 cząsteczek odpowiedniego enzymu. Niektóre enzymy są białkami złożonymi (proteidami), zawierającymi oprócz części białkowej (apoenzym) część niebiałkową (koenzym). W wielu przypadkach koenzymy to witaminy, czasem kompleksy zawierające jony metali.

Enzymy dzieli się na sześć klas w zależności od charakteru reakcji, które katalizują: procesy utleniania i redukcji; przeniesienie różnych grup chemicznych z jednego podłoża na drugie; hydrolityczne rozszczepienie wiązań chemicznych substratów; odszczepienie lub dodanie grupy chemicznej z substratu; zmiana w podłożu; łączenie cząsteczek substratu za pomocą związków wysokoenergetycznych.

Ponieważ komórka drobnoustroju spożywa wyłącznie substancje organiczne rozpuszczone w wodzie, przenikanie do wnętrza komórki substancji nierozpuszczalnych w wodzie, takich jak skrobia, białka, celuloza itp., możliwe jest dopiero po ich odpowiednim przygotowaniu, do czego komórka uwalnia niezbędne enzymy do otaczająca ciecz ulega hydrolitycznemu rozszczepieniu na prostsze podjednostki.

Koenzymy określają charakter katalizowanej reakcji i dzieli się je na trzy grupy ze względu na pełnione przez nie funkcje:
1. Transport jonów wodoru lub elektronów. Związany z enzymami redoks – oksydoreduktazami.
2. Uczestnictwo w przenoszeniu grup atomów (ATP - kwas trifosforanu adenozyny, fosforany węglowodanów, CoA - koenzym A itp.)
3. Katalizowanie reakcji syntezy, rozkładu i izomeryzacji wiązań węglowych.

Mechanizm usuwania z roztworu i późniejszej dysymilacji substratu jest bardzo złożony i ma charakter wieloetapowy, powiązane ze sobą i sekwencyjne reakcje biochemiczne zdeterminowane rodzajem odżywiania i oddychania bakterii. Dość powiedzieć, że wiele aspektów tego mechanizmu wciąż nie jest do końca jasnych, pomimo jego praktycznego zastosowania, zarówno w dziedzinie biotechnologii, jak i w dziedzinie biochemicznego oczyszczania wody z zanieczyszczeń organicznych w szerokiej gamie schematów projektów technologicznych.

Najwcześniejszy model procesu biochemicznego usuwania i utleniania zanieczyszczeń opierał się na trzech głównych zasadach: usuwaniu sorpcyjnym i akumulacji usuniętej substancji na powierzchni komórki; ruch dyfuzyjny przez błonę komórkową samej substancji lub produktów jej hydrolizy, lub kompleksu hydrofobowego utworzonego przez hydrofilową substancję penetrującą i białko pośrednie; przemiana metaboliczna składników odżywczych wchodzących do komórki, zapewniająca dyfuzyjne przenikanie substancji do wnętrza komórki.

Zgodnie z tym modelem uważano, że proces usuwania składników odżywczych z wody rozpoczyna się od ich sorpcji i akumulacji na powierzchni komórki, co wymaga ciągłego mieszania biomasy z podłożem, zapewniając korzystne warunki do „zderzenia” komórek z cząsteczki substratu.

Mechanizm przenoszenia substancji z powierzchni komórki na jej powierzchnię – model ten wyjaśnia się albo poprzez przyłączenie przenikającej substancji do określonego białka nośnikowego, będącego składnikiem błony komórkowej, które po wprowadzeniu substancji do wnętrza komórki komórka, zostaje uwolniona i zawrócona na jej powierzchnię w celu dokończenia nowego „wychwytu” substancji i nowego cyklu transferu, czyli poprzez bezpośrednie rozpuszczenie tej substancji w substancji ściany i błony cytoplazmatycznej, dzięki czemu przedostaje się ona do wnętrza komórki . Proces stabilnego zużycia substancji rozpoczął się dopiero po pewnym „okresie równowagi” substancji pomiędzy roztworem a komórkami, co tłumaczono występowaniem hydrolizy i ruchem dyfuzyjnym substancji przez błonę komórkową do błony cytoplazmatycznej , gdzie koncentrują się różne enzymy. Wraz z początkiem przemian metabolicznych równowaga sorpcyjna zostaje zakłócona, a gradient stężeń zapewnia ciągłość dalszego dostarczania substratu do komórki.

W trzecim etapie zachodzą wszelkie przemiany metaboliczne substratu, częściowo w takie produkty końcowe jak dwutlenek węgla, woda, siarczany, azotany (proces utleniania substancji organicznych), częściowo w nowe komórki drobnoustrojów (proces syntezy biomasy), jeśli proces przemian związków organicznych zachodzi w warunkach tlenowych. Jeśli utlenianie biochemiczne zachodzi w warunkach beztlenowych, wówczas w jego procesie mogą powstać różne produkty pośrednie (ewentualnie do określonych celów), CH4, NH3, H2S itp. Oraz nowe komórki.

Model ten nie potrafił jednak wyjaśnić niektórych cech kinetycznych procesów transportu, przenoszenia substratu, a w szczególności akumulacji substratu w komórce wbrew gradientowi stężeń, co jest najczęstszym skutkiem tych procesów i nazywa się „ transport aktywny, w odróżnieniu od transportu dyfuzyjnego. Cechą procesów transportu aktywnego jest ich stereospecyficzność, gdy substancje o podobnej budowie chemicznej konkurują o wspólny nośnik, a nie po prostu dyfundują do komórki pod wpływem gradientu stężeń.

W świetle współczesnych poglądów model ruchu substratu przez błonę komórkową zakłada obecność w niej hydrofilowego „kanału”, przez który substraty hydrofilowe mogą przenikać do wnętrza komórki. Jednakże, w przeciwieństwie do opisanego powyżej modelu, zachodzi tu ruch stereospecyficzny, prawdopodobnie osiągnięty w wyniku „wyścigu sztafetowego” przenoszenia cząsteczek substratu z jednej grupy funkcyjnej do drugiej. W tym przypadku podłoże niczym klucz otwiera kanał odpowiedni do jego penetracji (model kanału transbłonowego).

Drugi model alternatywny można postrzegać jako kombinację dwóch pierwszych, wykorzystującą ich pozytywne właściwości. Zakłada ona obecność hydrofobowego transportera membranowego, który poprzez kolejne zmiany konformacyjne wywołane przez substrat prowadzi go od zewnętrznej do wewnętrznej strony membrany (model translokacji konformacyjnej), gdzie kompleks hydrofobowy ulega rozpadowi. W tej interpretacji mechanizmu transportu substratu przez błonę komórkową w dalszym ciągu używany jest termin „nośnik”, choć coraz częściej zastępowany jest on terminem „permeaza”, który uwzględnia podłoże genetyczne jego kodowania jako składnika błonowego komórki w celu transportu substancji do wnętrza komórki.

Ustalono, że błonowe systemy transportu często obejmują więcej niż jeden mediator białkowy i może zachodzić pomiędzy nimi podział funkcji. Białka „wiążące” identyfikują substrat w pożywce, dostarczają go i koncentrują na zewnętrznej powierzchni membrany oraz przekazują do „prawdziwego” transportera, tj. składnik transportujący substrat przez membranę. W ten sposób wyizolowano białka biorące udział w „rozpoznawaniu”, wiązaniu i transporcie szeregu cukrów, kwasów karboksylowych, aminokwasów i jonów nieorganicznych do komórek bakterii, grzybów i zwierząt.

Przekształcenie procesu transportu substancji do komórki w jednokierunkowy proces „aktywnego” transportu, prowadzący do wzrostu zawartości składników odżywczych w komórce wbrew gradientowi ich stężeń w środowisku, wymaga od komórki określonych kosztów energii. Zatem procesy przenoszenia substratu ze środowiska do komórki są związane z zachodzącymi wewnątrz komórki procesami metabolicznego uwalniania energii zawartej w substracie. Energia w procesie przenoszenia substratu jest zużywana na modyfikację chemiczną podłoża lub samego nośnika w celu wyeliminowania lub utrudnienia zarówno interakcji substratu z nośnikiem, jak i powrotu substratu poprzez dyfuzję przez membranę z powrotem do roztworu .

Współczesne poglądy na procesy biochemicznego usuwania i utleniania związków organicznych opierają się na dwóch kardynalnych założeniach teorii kinetyki enzymatycznej. Stanowisko pierwsze zakłada, że ​​enzym i substrat oddziałują ze sobą tworząc kompleks enzym-substrat, co w wyniku jednej lub kilku przemian prowadzi do powstania produktów zmniejszających barierę aktywacji reakcji katalizowanej przez enzym. enzymu ze względu na jego fragmentację na szereg etapów pośrednich, z których każdy nie napotyka przeszkód energetycznych w jego realizacji. Drugie stanowisko stwierdza, że ​​niezależnie od charakteru związków i liczby etapów reakcji enzymatycznej katalizowanej przez enzym, na końcu procesu enzym wychodzi w niezmienionej postaci i jest w stanie oddziaływać z kolejną cząsteczką substratu . Inaczej mówiąc, już na etapie pobierania substratu komórka oddziałuje z substratem tworząc stosunkowo słabe połączenie zwane „kompleksem enzym-substrat”.

Powyższe dobrze ilustruje przykład ekstrakcji glukozy z roztworu przez różne mikroorganizmy zawierające enzym oksydazę glukozową w środowisku tlenu cząsteczkowego. Oksydaza glukozowa tworzy kompleks enzym-substrat – glukoza – tlen – oksydaza glukozowa, po rozkładzie którego powstają produkty pośrednie – glukonolakton i nadtlenek wodoru, jak pokazano schematycznie na ryc. 11.1.

Powstały w wyniku rozkładu tego kompleksu glukonolakton ulega hydrolizie, tworząc kwas glukonowy.

Jedną z najważniejszych właściwości enzymów jest ich zdolność do syntezy w obecności i pod wpływem określonej substancji. Kolejną, równie ważną właściwością jest specyficzność działania enzymu, zarówno w odniesieniu do reakcji, którą katalizuje, jak i w odniesieniu do samego substratu.

Czasami enzym jest w stanie działać na pojedynczy substrat (specyficzność bezwzględna), ale znacznie częściej enzym działa na grupę substratów, które są podobne w obecności pewnych grup atomowych substratów.

Ryż. 11.1. Schemat „rozpoznania” substratu przez enzym, tworzenie kompleksu enzym-substrat i kataliza

Wiele enzymów charakteryzuje się specyficznością stereochemiczną, która polega na tym, że enzym działa na grupę substratów (a czasem na jeden), różniących się od innych szczególnym rozmieszczeniem atomów w przestrzeni. Rola każdego enzymu w procesie biochemicznego utleniania substancji organicznych jest ściśle określona: katalizuje on albo utlenianie (tj. dodanie tlenu lub eliminację wodoru), albo redukcję (tj. dodanie wodoru lub eliminację tlen) dobrze zdefiniowanych związków chemicznych. Podczas odwodornienia dany enzym może usunąć tylko niektóre atomy wodoru, które zajmują określoną pozycję przestrzenną w cząsteczce substratu lub produktu pośredniego. To samo dotyczy enzymów katalizujących inne procesy metaboliczne.

Procesy utleniania biochemicznego w mikroorganizmach heterotroficznych dzieli się na trzy grupy w zależności od tego, jaki jest ostateczny akceptor atomów wodoru lub elektronów oddzielonych od utlenionego podłoża. Jeśli akceptorem jest tlen, wówczas proces ten nazywa się oddychaniem komórkowym lub po prostu oddychaniem; jeżeli akceptorem wodoru jest substancja organiczna, wówczas proces utleniania nazywa się fermentacją; wreszcie, jeśli akceptorem wodoru jest substancja nieorganiczna, taka jak azotany, siarczany itp., wówczas proces ten nazywa się oddychaniem beztlenowym lub po prostu beztlenowym.

Najbardziej kompletnym procesem jest utlenianie tlenowe, ponieważ jej produktami są substancje, które nie są zdolne do dalszego rozkładu w komórce drobnoustroju i nie zawierają rezerwy energii, która mogłaby wyzwolić się w wyniku zwykłych reakcji chemicznych. Jak już wspomniano, głównymi z tych substancji są dwutlenek węgla (CO2) i woda (H20). Choć obie te substancje zawierają tlen, to chemiczna droga ich powstawania w komórce może być różna, gdyż dwutlenek węgla może powstawać w wyniku procesów biochemicznych zachodzących w środowisku beztlenowym pod wpływem enzymów – dekarboksylaz, które usuwają CO2 z grupy karboksylowej (COOH) kwasu. Woda w wyniku życiowej aktywności komórki powstaje wyłącznie w wyniku połączenia tlenu zawartego w powietrzu z wodorem substancji organicznych, z którego zostaje oddzielona w procesie ich utleniania.

Tlenowa dysymilacja substratu - węglowodanów, białek, tłuszczów - jest procesem wieloetapowym, obejmującym wstępny rozkład złożonej substancji zawierającej węgiel na prostsze podjednostki (na przykład polisacharydy - na cukry proste; tłuszcze - na kwasy tłuszczowe i glicerol ; białka – w aminokwasy), które z kolei ulegają dalszej, konsekwentnej transformacji. W tym przypadku dostępność podłoża do utleniania w istotny sposób zależy od budowy szkieletu węglowego cząsteczek (prosty, rozgałęziony, cykliczny) oraz stopnia utlenienia atomów węgla. Za najłatwiej dostępne uważa się cukry, zwłaszcza heksozy, a następnie alkohole wielowodorotlenowe (glicerol, mannitol itp.) i kwasy karboksylowe. Ogólną końcową ścieżką, na której kończy się tlenowy metabolizm węglowodanów, kwasów tłuszczowych i aminokwasów, jest cykl kwasów trikarboksylowych (cykl TCA) lub cykl Krebsa, w który te substancje wchodzą w tym czy innym etapie. Należy zauważyć, że w warunkach metabolizmu tlenowego około 90% zużywanego tlenu jest wykorzystywane w drogach oddechowych do produkcji energii przez komórki drobnoustrojów.

Fermentacja to proces niecałkowitego rozkładu substancji organicznych, głównie węglowodanów, w warunkach beztlenowych, w wyniku którego powstają różne produkty pośrednie, częściowo utlenione, takie jak alkohol, gliceryna, kwas mrówkowy, mlekowy, propionowy, butanol, aceton, metan, itp., które są szeroko stosowane w biotechnologii w celu uzyskania docelowych produktów. Do 97% substratu organicznego można przekształcić w takie produkty uboczne i metan.

Enzymatyczny, beztlenowy rozkład białek i aminokwasów nazywany jest gniciem.

Ze względu na niską produkcję energii podczas metabolizmu fermentacyjnego, komórki drobnoustrojów ją przeprowadzające muszą zużyć większą ilość substratu (na mniejszej głębokości jego rozkładu) niż komórki otrzymujące energię poprzez oddychanie, co wyjaśnia wydajniejszy wzrost komórek w warunkach tlenowych w porównaniu z warunkami beztlenowymi.

Największą ilość energii do swego funkcjonowania komórka otrzymuje w wyniku utlenienia przez tlen wodoru, który jest odrywany od utlenionego substratu pod działaniem enzymów dehydrogenazy, które zgodnie ze swoim działaniem chemicznym dzielą się na nikotynamid (NAD ) i flawina (FAD). Dehydrogenazy nikotynamidowe jako pierwsze reagują z substratem, usuwając z niego dwa atomy wodoru i dodając je do koenzymu. W wyniku tej reakcji substrat ulega utlenieniu, a NAD ulega redukcji do NAD'H2. Następnie FAD reaguje, przenosząc wodór z koenzymu nikotynamidu do koenzymu flawiny, w wyniku czego NAD'H2 ulega ponownemu utlenieniu do NAD, a koenzym flawiny ulega redukcji do FADH2. Dalej, poprzez niezwykle ważną grupę enzymów redoks – cytochromy – wodór przekształcany jest w tlen cząsteczkowy, który kończy proces utleniania z utworzeniem produktu końcowego – wody.

W tej reakcji uwalniana jest największa część energii zawartej w podłożu. Cały proces utleniania tlenowego można przedstawić na schemacie na ryc. 11.2.

Energia uwolniona podczas mikrobiologicznego utleniania substancji jest akumulowana przez komórkę za pomocą związków wysokoenergetycznych. Uniwersalnym magazynem energii w żywych komórkach jest kwas adenozynotrójfosforowy – ATP (chociaż istnieją inne makroenergie).

Ta reakcja fosforylacji, jak widać z (11.9), wymaga energii, której źródłem w tym przypadku jest utlenianie. Dlatego fosforylacja ADP jest ściśle związana z utlenianiem i proces ten nazywa się fosforylacją oksydacyjną. W procesie fosforylacji oksydacyjnej, podczas utleniania np. jednej cząsteczki glukozy, powstaje 38 cząsteczek ATP, natomiast na etapie glikolizy tylko 2. Należy zaznaczyć, że etap glikolizy przebiega dokładnie tak samo zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych, tj. przed utworzeniem kwasu pirogronowego (PVA), a 2 z 4 powstałych cząsteczek ATP są zużywane na jego wystąpienie.

Drogi dalszej transformacji PVC w warunkach tlenowych i beztlenowych są rozbieżne.

Tlenową przemianę glukozy można przedstawić za pomocą następującego schematu:
1. Glikoliza: SbH12Ob + 2FA-+2PVK + 2NADH2 + 4ATP (11.10)
2. Transformacja kwasu pirogronowego (PVA): 2PVA-*2C02 + 2 Acetylo CoA + 2NADH2
3. Cykl kwasów trikarboksylowych (cykl Krebsa): Acetylo CoA -> 4C02 + 6NADH2 + 2FADH2 + 2ATP (11.12) ECbH12Ob -> 6C02 + 10NADH2 + 2FADH2 + 4ATP (11.13) gdzie FAD jest flawoproteiną.

Utlenianie NADH2 w systemie transportu elektronów wytwarza ZATP w
1 mol; utlenianie 2FADH2 daje 4ATP,
następnie: SbN1206 + 602 -> 6C02 + 6H20 + 38ATP

W warunkach beztlenowej przemiany węglowodanów pierwszym etapem jest fosforylacja glukozy, prowadzona przy pomocy ATP pod wpływem enzymu heksokinazy, tj.
Glukoza + A TF-heksokinaza > glukoza _ b – fosforan + ADP
Po zakończeniu etapu glikolizy i powstaniu PCW przebieg dalszej transformacji PCW zależy od rodzaju fermentacji i jej czynnika sprawczego. Główne rodzaje fermentacji: alkoholowa, kwas mlekowy, kwas propionowy, kwas masłowy, metan.

Fosforylacja oksydacyjna może również zachodzić pod wpływem enzymu syntetyzującego ATP na poziomie substratu. Jednak to tworzenie wiązań wysokoenergetycznych jest bardzo ograniczone i w obecności tlenu komórki syntetyzują większość zawartego w nich ATP poprzez system transportu elektronów.

Akumulacja substancji uwalnianej w procesie dysymilacji w warunkach tlenowych lub beztlenowych za pomocą związków wysokoenergetycznych (a przede wszystkim ATP) pozwala wyeliminować rozbieżność pomiędzy równomiernością procesów uwalniania energii chemicznej z podłoża oraz nierównomierność procesów jego zużycia, nieunikniona w rzeczywistych warunkach istnienia komórki.

W uproszczeniu cały proces rozkładu substancji organicznych podczas przemian tlenowych można przedstawić na schemacie pokazanym na ryc. 11.3. Schemat przemian beztlenowych PVC po etapie glikolizy przedstawiono na rys. 11.4.

Badania wykazały, że często rodzaj metabolizmu zależy nie tyle od obecności tlenu w środowisku, ile od stężenia substratu.

Wskazuje to, że w zależności od specyficznych warunków pracy biomasy w środowisku mogą jednocześnie zachodzić zarówno tlenowe, jak i beztlenowe procesy przemian związków organicznych, których intensywność będzie zależała także od stężenia zarówno substratu, jak i tlenu.

Należy w tym miejscu zaznaczyć, że w biotechnologii przemysłowej czyste kultury wykorzystuje się do otrzymywania różnorodnych produktów pochodzenia mikrobiologicznego (drożdże paszowe lub piekarskie, różne kwasy organiczne, alkohole, witaminy, leki), tj. często wybiera się mikroorganizmy jednego rodzaju, przy ścisłym zachowaniu składu gatunkowego, odpowiednich warunków żywienia, temperatury, aktywnej reakcji środowiska itp., wykluczając pojawienie się i rozwój innych typów mikroorganizmów, co mogłoby prowadzić do odchyleń w jakość powstałego produktu z ustalonych standardów.

Podczas oczyszczania ścieków zawierających mieszaninę zanieczyszczeń o różnym składzie chemicznym, które czasami są nawet bardzo trudne do zidentyfikowania metodami analitycznymi, biomasa dokonująca oczyszczania jest również mieszaniną, a raczej zbiorowiskiem różnych typów mikroorganizmów i pierwotniaków z złożone relacje między nimi. Zarówno skład gatunkowy, jak i ilościowy biomasy pochodzącej z oczyszczalni ścieków będzie zależał od konkretnej metody biologicznego oczyszczania i warunków jego realizacji.

Według obliczeń części ekspertów, gdy stężenie rozpuszczonych zanieczyszczeń organicznych, oceniane za pomocą wskaźnika BPKP0Ln, wynosi do 1000 mg/l, najkorzystniejsze jest zastosowanie aerobowych metod oczyszczania. Przy stężeniach BPKPOLn od 1000 do 5000 mg/l wskaźniki ekonomiczne metod tlenowych i beztlenowych będą prawie takie same. Przy stężeniach powyżej 5000 mg/l właściwsze byłoby zastosowanie metod beztlenowych. Należy jednak wziąć pod uwagę nie tylko stężenie substancji zanieczyszczających, ale także zużycie ścieków, a także fakt, że metody beztlenowe prowadzą do powstawania produktów końcowych, takich jak metan, amoniak, siarkowodór itp. oraz nie pozwalają na uzyskanie jakości oczyszczonej wody porównywalnej z jakością oczyszczania metodami aerobowymi. Dlatego przy dużych stężeniach zanieczyszczeń stosuje się kombinację metod beztlenowych na pierwszym etapie (lub pierwszych etapach) oczyszczania i metod tlenowych na ostatnim etapie oczyszczania. Należy podkreślić, że ścieki bytowe i komunalne w odróżnieniu od ścieków przemysłowych nie zawierają stężeń zanieczyszczeń uzasadniających stosowanie metod beztlenowych, dlatego w niniejszym rozdziale nie omawia się tych metod oczyszczania.

Ryż. 11.3. Uproszczony diagram trójetapowego rozkładu cząsteczek składników odżywczych (B. Alberte i in. 1986)

Ryż. 11.4. Przemiana kwasu pirogronowego przez mikroorganizmy beztlenowe w różne produkty

Są szeroko stosowane do oczyszczania ścieków bytowych i przemysłowych z wielu rozpuszczonych substancji organicznych i niektórych nieorganicznych (H2S; siarczki; NH3; azotyny itp.).

Proces oczyszczania opiera się na zdolności mikroorganizmów do wykorzystania tych substancji do odżywiania w procesie życia, ponieważ Substancje organiczne są dla nich źródłem węgla.

Zalety: prosta konstrukcja sprzętu, niskie koszty eksploatacji.

Wady: wysokie koszty inwestycyjne, konieczność wstępnego usunięcia substancji toksycznych, ścisłe przestrzeganie reżimu czyszczenia technologicznego. Ścieki charakteryzują się: BZT – biochemiczne zapotrzebowanie na O 2. mg O 2 / g lub mg O 2 / l bez procesów nitryfikacji. ChZT to zapotrzebowanie na O2 do utleniania wszystkich środków redukujących. ChZT > BZT.

Jeśli w obecności O 2, proces jest tlenowy (t o = 20-40 o C). Jeśli w przypadku braku O2, jest to beztlenowy (w celu zneutralizowania pozostałości).

Podczas oczyszczania biochemicznego substancje zawarte w ściekach nie są poddawane recyklingowi, lecz przetwarzane na osad nadmierny, który również wymaga neutralizacji. Osad czynny (brązowo-żółte grudki) to złożony kompleks mikroorganizmów różnych klas, najprostszych mikroskopijnych robaków, orzęsków, glonów, drożdży itp. Dobrym źródłem C są nienasycone związki organiczne.

Nasycone związki organiczne są trudniej trawione.

Rozpuszczone substancje organiczne i węglowodory łatwo przenikają do wnętrza komórki; trudniejsze są substancje, których cząsteczki zawierają grupy polarne, etanol > glikol etylenowy > glicerol, cukry z kilkoma grupami hydroksylowymi. Dyfundują do komórki jeszcze wolniej. Kwasy tłuszczowe > hydroksykwasy > aminokwasy. Jony amonowe z łatwością przenikają do wnętrza komórki!

Zdolność mikroorganizmów do adaptacji zapewnia powszechne stosowanie biologicznego oczyszczania ścieków.

Im gorzej osad jest odprowadzany, tym wyższy jest jego wskaźnik osadu. ja gr. BODtotal/ChZT =0,2 – grupa ścieków (przemysł spożywczy, spsk, białkowo-witaminowe...). Zanieczyszczenia organiczne tej grupy nie są toksyczne dla drobnoustrojów. II gr. BODcałkowite/ChZT=0,10-0,02 – Ścieki koksownicze, łupki, woda sodowa. Wody te po mechanicznym oczyszczeniu można poddać biochemicznemu utlenianiu. III gr. BODcałkowite/ChZT=0,01-0,001 – ścieki z hutnictwa żelaza, siarczki, chlorki, środki powierzchniowo czynne itp. Wymagana jest obróbka mechaniczna i fizykochemiczna. IV gr. BODcałkowite/ChZT Turbulizacja (intensywne mieszanie, osad czynny znajduje się w zawiesinie) ścieków zwiększa ilość składników odżywczych i O2 dostarczanych do mikroorganizmów, co zwiększa szybkość oczyszczania ścieków.

Dawka substancji czynnej lub zależy od wskaźnika osadu.

Im niższy wskaźnik osadu, tym większa dawka substancji czynnej, którą należy dostarczyć.

Zwiększanie t o => zwiększa objętość reakcji biochemicznej. do > 30 o może zniszczyć mikroorganizmy. Prawie 20-30 o. Trucizną dla osadu czynnego są sole metali ciężkich. Sole tych metali zmniejszają stopień oczyszczania (Sb, Ag, Cu, Hg, Co, Ni, Pb itp.).

Do utleniania substancji organicznych przez mikroorganizmy wymagany jest O 2; rozpuszczony w ściekach, tj. napowietrzanie - rozpuszczanie O 2 w H 2 O.

Aby przebieg reakcji utleniania biochemicznego przebiegł pomyślnie, konieczna jest obecność w ściekach związków składników odżywczych i mikroelementów: (N, P, K).

Brak N hamuje utlenianie i powstawanie trudno osadzających się osadów.

Brak P prowadzi do powstawania bakterii nitkowatych, co powoduje pęcznienie osadu czynnego.

Biooczyszczanie w warunkach naturalnych.

Pola irygacyjne to specjalnie przygotowane działki; czyszczenie następuje pod wpływem mikroflory słońca, powietrza oraz pod wpływem żywej roślinności i roślin.

Pola irygacyjne najlepiej budować na glebach piaszczystych lub gliniastych. Wody gruntowe nie znajdują się wyżej niż 1,25 m od powierzchni.

Gleba pól irygacyjnych zawiera bakterie, drożdże, grzyby, glony itp. Ścieki zawierają bakterie. Jeżeli na polach nie uprawia się roślin i są one przeznaczone wyłącznie do biologicznego oczyszczania ścieków, wówczas nazywane są polami filtracyjnymi.

Pola irygacyjne po biologicznym oczyszczaniu ścieków wykorzystywane są do uprawy zbóż, roślin kiszonkowych, ziół i warzyw. Pola irygacyjne mają następujące zalety w porównaniu ze zbiornikami napowietrzającymi: 1 – obniżone są koszty inwestycyjne i operacyjne; 2 – grunty nieprodukcyjne zajmują się produkcją rolną. 3 – zapewnia stabilne i wysokie plony.

Mechanizm:

W procesie biologicznego oczyszczania ścieki przechodzą przez warstwę filtracyjną gleby, w której zatrzymują się cząstki zawieszone i koloidalne, tworząc film, a przenikający O2 utlenia substancje organiczne, zamieniając je w związki mineralne.

Ścieki mogą przedostawać się na pola nawadniające poprzez nawilżacze rurowe z polietylenu lub azbestocementu, tj. nawadnianie podłoża.

Stawy biologiczne to kaskada stawów składająca się z 3-5 etapów. Z naturalnym napowietrzeniem (ich głębokość wynosi 0,5-1 m). Dobrze rozgrzane słońcem. Ze sztucznym napowietrzaniem (mechanicznym lub pneumatycznym, kompresorem) (głębokość - 3,5 m). Ładunek zanieczyszczeń wzrasta 3-3,5 razy.

Sprzątanie w sztucznych konstrukcjach.

Zbiorniki Aero to żelbetowe zbiorniki napowietrzające. Napowietrzona mieszanina ścieków + osadu czynnego.

Schemat oczyszczalni biologicznej.
1. – osadnik pierwotny;
2. – aerator wstępny (do wstępnego napowietrzania 15-20 minut);
3. - Zbiornik napowietrzający;
4. – regenerator (25%);
5. – osadnik wtórny;

Napowietrzanie jest konieczne w celu nasycenia H2O – O2 i utrzymania osadu w zawiesinie. Przed zbiornikiem napowietrzającym ścieki nie mogą zawierać > 150 mg/l cząstek zawieszonych i nie > 25 mg/l produktów naftowych: t°H2O=6-30°С; PH – 6,5-9. głębokość zbiorników napowietrzających wynosi 2-5 m. Basen zewnętrzny wyposażony w urządzenia do wymuszonego napowietrzania. 2, 3, 4 korytarze.

Zbiorniki aero dzielą się na:
1. zgodnie z reżimem hydrodynamicznym (zbiorniki napowietrzające - wyporniki (a); zbiorniki napowietrzające - mieszalniki (b); typ pośredni - z rozproszonym wodorem ściekowym);
2. metodą regeneracji aktywnej lub (z oddzielną regeneracją i bez niej);
3. w zależności od ładunku osadu czynnego (wysoce obciążony w przypadku niepełnego oczyszczenia oraz zwykły lub niskoobciążony);
4. według liczby kroków (1, 2, wielokrotność);
5. według sposobu dopływu ścieków (płynący, półpłynny, kontaktowy itp.);
6. według cech konstrukcyjnych:

W obecności szkodliwych zanieczyszczeń i BZT > 150 mg/l - z regeneracją.

Pomocna informacja: