Биохимические процессы очистки хозяйственно-бытовых сточных вод в аэробных условия

Введение

Биологическая очистка сточных вод вузле аэрационных сооружений, включающем аэротенк и вторичный отстойник определяется интенсивностью аэрации, температурой при оптимальном режиме – времени процесса.

В настоящее время аэротенки-нитрификаторыиспользуются повсеместно при очистке как хозяйственно-бытовыхтак и производственных сточных вод, содержащих повышенное БПК (биохимическая потребность кислорода) в результате наличия в стоках различных классов органических веществ.Немало важную роль выполняют вторичные отстойники в которых осуществляется разделение активного ила от очищенных по БПК стоков. Время процесса аэробного окисления (нитрификации), интенсивность аэрации, современные системы аэрационного оборудования и время осветления во вторичных отстойниках не только определяют эффективность очистки по БПК, но и существенно влияют образование в аноксидных зонах ряда газообразных веществ часть из которых переходит в очищенные стоки, ухудшая показатели очищенной воды.С поверхности аэротенков-нитрификаторови вторичных отстойников выделяются метан, аммиак, сероводород, этилмеркаптан, фенол, формальдегид, углеводороды С₆ – С₁₀ и С₁₂ – С₁₉, азота диоксид, азота оксид. Причем по ряду веществ выбросы из вторичных отстойников превосходят выбросы из аэротенков, что определяется повышенным временем пребывания ила в аноксидной зоне.

Интенсивная аэрация приводит к значительному выбросу аэрозолейизаэротенка, которые характерны и для относительно спокойной поверхности вторичного отстойника. Аэрозоли по своему составу аналогичны сточной воде и содержат очень большое количество бактерий и вирусов. Характеристики микробного загрязнения аэрозольных выбросов в настоящее время практически не изучены. Практически отсутствуют сведения о загрязнении окружающей среды и рабочей зоны микробными выбросами.

Эффективная очистка сточных вод в узле биохимической очистки при оптимизации времени процесса, минимальном выбросе микробных клеток и газообразных веществ и при установлении оптимальной зоны загрязненияаэротенкаи вторичного отстойника возможна при разработке математической модели работы этих сооружений.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Биохимические процессы очистки хозяйственно-бытовых сточных вод в аэробных условия

Известно, что процесс биологической очистки основан на способности микроорганизмов использовать растворенные органические вещества сточных вод для питания в процессе жизнедеятельности.В результате окисления органических веществ образуется вода, диоксид углерода, нитрит, нитрат и сульфат- ионы, часть идет на образование биомассы [1].

Установлено, что процесс разрушения сложных органических соединений бактериями происходит в определенной последовательности и в присутствии катализаторов этих реакций – ферментов, которые выделяются клетками бактерий. Ферменты – сложные белковые соединения (молекулярная масса достигает сотен тысяч и миллионов), ускоряющие биохимические реакции. Ферменты бывают одно- и двухкомпонентные. Двухкомпонентные ферменты состоят из белковой (апофермент) и небелковой (кофермент) части. Каталитической активностью обладает кофермент, а белковый носитель увеличивает его активность[2].

Различают ферменты:

• эндоферменты – локализуются в цитоплазме клеток;
• экзоферменты – выделяются в окружающую среду.

Особенность ферментов состоит в том, что каждый из них катализирует только одно из многих превращений. Существуют шесть основных ферментных классов: оксиредуктазы, трансферазы, гидралазы, лиазы, изомеразы и лигазы. Для разрушений сложной смеси органических веществ необходимо 80-100 различных ферментов, каждый из них имеет свою оптимальную температуру, выше которой скорость реакции падает[3]. Бактерии обладают специфичным набором ферментов и поэтому для окисления органических веществ широкого класса требуется широкий спектр бактерий.

Процесс биологического окисления состоит из множества ступеней и начинается с расщепления органического вещества с выделением активного водорода. В этом процессе особую роль играют ферменты класса оксиредуктазы: дегидрогеназы (отнимающие водород от субстрата), каталазы (расщепляющие перекись водорода) и пероксидазы (использующие активированную перекись для окисления других органических соединений)[15].

Существуют вещества, которые повышают активность ферментов – активаторы (катионы Ca2+, Mg2+, Mn2+), и ингибиторы, оказывающие противоположное действие (например, соли тяжелых металлов, антибиотики)[16].

Ферменты, которые постоянно присутствуют в клетках, независимо от субстрата, называются конститутивными. Ферменты, которые синтезируются клетками в ответ на изменение внешней среды, называются адаптивными. Срок адаптации составляет от нескольких часов до сотен дней [4].

Суммарные реакции биохимического окисления в аэробных условиях можносхематично представить в следующем виде[5].:

,	(1.1)
	(1.2)
	(1.3)

где  – все органические вещества сточных вод;  – условная формула клеточного вещества бактерий; Δ H – энергия[5].

Своими словами Реакции (1.1) и (1.2) показывают процесс биологической очистки от исходных загрязнений состава . Реакция1.1 – окисление вещества на энергетические потребности клетки, реакция 1.2 –синтез биомассы . Затраты кислорода на эти две реакции соответствуют БПК_полнсточной воды.

Реакции (1.1) и (1.2) осуществляют организмы, которые используют для питания органические вещества. Когда вода очищена и внешний источник органического углерода исчерпан, наступают благоприятные условия для развития культур организмы, которые способны самостоятельно синтезировать органические вещества. В реакции 1.3 происходит окисление аммонийного азота сначала до нитритного, а затем и до нитратного.  При наличии в воде достаточной концентрации растворенного кислорода в среде развиваются автотрофы –нитрификаторы [5].

Легко окисляются бензойная кислота, этиловый и амиловый спирты, гликоли, глицерин, анилин, сложные эфиры. Плохо окисляются нитросоединения, «жесткие» ПАВ, трехатомные спирты. Наличие функциональных групп увеличивает способность к биологическому разрушению соединений в такой последовательности:

— CH ₃; — OOCCH ₃; — CHO; — CH ₂ OH; — CHOH; — COOH; — CN;

— NH ₂; — OHCOOH; — SO ₃ H.

Окисление углеводов описывается сложной схемой:

C ₆ H ₁₂ O₆ C ₃ H ₄ O ₃ CH ₃– CO – S – КоА → ЦТК → CO ₂ + H ₂ O,

где CH ₃– CO – S – КоА – ацетил-КоА;

ЦТК – цикл трикарбоновых кислот, состоящий из последовательности реакций, катализируемых 10 ферментами.

Процесс окисленияуглеводородов происходит следующим образом:

CH ₃(CH ₂)_n CH ₃  CH ₃(CH ₂)_n CH ₂ OH → CH ₃(CH ₂)_n CHO →

→ CH ₃(CH ₂)_n COOH → β–Окисление → Ацетил–КоА → ЦТК.

В процессе окисления углеводородов бактерии получают углеродное питание и развивают биомассу клетки. Сточная вода, представляющая многокомпонентный субстрат органических веществ, аэробно очищается от всех компонентов многовидовым составом бактериальных культур. Установлено, что специфика аэробных процессов заключается в развитии гетерогенных популяций бактерий и микроорганизмов, потребляющих много компонентный субстрат органических веществ.

Нитрифицирующие бактерии окисляют азот аммонийных соединений сначаладо нитритов, а потом до нитратов. Нитрификацияи является конечной стадией минерализации азотсодержащих органических веществ (реакция 1.3). Присутствие нитрат-ионов в очищенной воде является одним изпоказателей полноты очистки сточных вод.