Исследование возможности использования микроорганизмов для очистки сточных вод от органических загрязнителей
Подождите немного. Документ загружается.
Рис.10 - Структурная формула тиофоса
Фосфорорганические пестициды, за исключением некоторых (хлорофос),
плохо растворимы в воде и хорошо — в органических растворителях.
Концентраты эмульсий переходят в воде в стойкую эмульсию и наиболее
опасны для рыбоводства. ФОС относительно малостойки в окружающей
среде. Большая часть их разлагается в растениях, почве и воде в течение
одного или нескольких месяцев. Только некоторые инсектоакарициды
внутрирастительного действия (метилмеркаптофос, антио, фосфамид, сайфос
и др.) сохраняются до года. Такие распространенные пестициды, как метафос
и карбофос (рис.11), распадаются значительно быстрее и практически уже
через несколько дней после обработки почти полностью инактивируются.
а)
б)
Рис.11 - Структурные формулы а) карбофос; б) метофос
С увеличением рН и повышением температуры воды скорость гидролиза
этих, соединений возрастает в несколько раз. В рыбохозяйственных водоемах
они, как правило, обнаруживаются в незначительных количествах. Однако
при постоянном поступлении со сточными водами, а также в районах
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
35
3835.000130.000 ПЗ
массового их применения отмечен довольно высокий уровень ФОС в воде, а
также зарегистрированы случаи отравления рыб.[9]
1.3 Микроорганизмы и их функции
В отличие от многообразия макромира (мира больших и видимых
невооруженным глазом существ) мир микробов характеризуется
относительным однообразием. Существующие в настоящее время более 3000
различных видов бактерий, но своему внешнему виду подразделяются на 3
основные формы:
1. Шаровидные или эллипсовидные (кокки) размерами от 1 до 2 микрон
(рис. 12). Кокки относятся к наиболее простой форме бактерий; они могут
соединяться друг с другом, образуя диплококки (по две), тетра-кокки (по
четыре) и стрептококки (цепочки).
а б в
Рис. 12. Шаровидные формы; а – кокки; б – микрококки; в – диплококки.
2. Палочковидные или цилиндрические размерами от 1 до 5 микро (рис.
13). Они также способны соединяться друг с другом попарно ив цепочку и
дают большое разнообразие форм бактерий (диплобактерии, диплобациллы,
стрептобациллы, стрептобактерии).
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
36
3835.000130.000 ПЗ
а б в г
Рис. 13. Палочковидные формы; а – тетракокки; б – стрептококки; в –
палочки; г – стрептобактерии.
3. Извитые или спириллы размерами от 1 до 30 микрон. Извитые формы
разделяют на три группы:
- вибрионы (слегка изогнутые, в виде запятой) величиной от 1 до 3
микрон;
- спирохеты (сильно изогнутые с крупными завитками на конце)
размерами от 5 до 30 микрон;
- спириллы (изогнутые палочки с небольшим количеством изгибов) –
от 5 до 10 микрон.
Характерно, что в капле жидкости можно обнаружить почти все формы
бактерий, но особенно много там содержится бактерий-палочек.
Нитчатые бактерии, к которым относятся следующие многоклеточные
микроорганизмы: серобактерии; железобактерии; марганцовистые бактерии,
вызывают разрушения и закупорку металлических труб, проводов,
холодильников и других сооружений.
Нитчатые бактерии могут быть как свободно плавающими, так и
прикрепленными, причем многие из них покрыты слизистой оболочкой. Они
размножаются очень быстро с помощью гонидий и конидий – особых
спороподобных овальных телец, возникающи в конце нити.
Гонидии созревают в материнской нити и затем отслаиваются,
приобретая самостоятельное движение за счет жгутиков.
Конидии созревают и развиваются в теле материнской нити. Но они не
обладают собственным движением.
Нитчатые бактерии устойчивы к высыханию, солнечному свету и
действию некоторых слабых дезинфицирующих веществ, поэтому борьба с
ними ведется следующими способами:
а) термической обработкой воды (при высокой температуре)
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
37
3835.000130.000 ПЗ
б) действием сильных окислителей (хлором, озоном, хлораминами,
растворами КМnО
4
или К
2
Сг
2
О
7
).
К микроорганизмам относятся также плесневые грибы и дрожжи.
Морфология грибов разнообразна, но основной структурой их тела являются
мицелии, или грибница, состоящая из разветвленных бесцветных нитей,
называемых гифами. Большинство грибов имеет многоклеточное строение.
Они сочетают признаки низших растительных организмов и бактерии.
Ветвистый мицелий частью погружен в питательную среду (воду) и быстро
прорастает, образуя полый мицелии. Грибы размножаются вегетативным
способом (путем деления мицелии, и спорами; в воде мицелии грибов
способны распадаться на мелкие отрезки, которые по размерам и составу
оболочки близки к палочковидным бактериям).
Важность грибов при минерализации водоемов обусловливается тем, что
в процессе жизнедеятельности они продуцируют полезные антибиотики
(пенициллин и стрептомицин) и активно участвуют в расщеплении
устойчивых органических соединений (целлюлозы, парафинов, крахмала и
др.).
Дрожжи относятся к одноклеточным грибам, не образующим мицелий.
Их клетка имеет шарообразную или овальную форму размером от 6 до 10
микрон, т. е. значительно больше величины обычных бактерий. Дрожжевая
клетка подобно бактериям состоит из ядра, цитоплазмы и оболочки, но
построена более сложно; она размножается, как и бактерии, путем деления
(отпочкования) материнской клетки на дочерние.[12]
Дрожжи участвуют в процессах брожения различных углеводов,
расщепляя их в конечном итоге до спиртов и углекислого газа.
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:
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
38
3835.000130.000 ПЗ
1. Способность потреблять в качестве источников питания самые
разнообразные органические (и некоторые неорганические) соединения для
получения энергии и обеспечения своего функционирования.
2. 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.[8]
3. Способность образовывать колонии и скопления, которые сравнительно
легко можно отделить от очищенной воды после завершения процессов изъятия
содержавшихся в ней загрязнений.
В живой микробной 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 микробных клеток,
различных промежуточных или конечных продуктов, на проведение которых
расходуется энергия, получаемая микробной 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
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
39
3835.000130.000 ПЗ
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 (кофермент). 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 микробная 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.[13]
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 - аденозинтрифосфорная
кислота, фосфаты углеводов, СоА - коферменат А и др.)
3. Катализирующие реакции синтеза, распада и изомеризации углеродных
связей.
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
40
3835.000130.000 ПЗ
В осуществлении биологической очистки сточных вод участвуют самые
разнообразные группы микроорганизмов такие как бактерии, грибы, водоросли,
простейшие и многоклеточные.
В двух основных типах реакторов биологической очистки – биофильтрах и
установках с активным илом – создаются разные условия для
жизнедеятельности, и это сказывается на составе обитающих в них организмов.
Наибольшее число видов организмов обнаружено в биофильтрах. Из-за
различий в конструкции и операционных характеристиках биофильтры
отличаются сильно изменяющимися условиями среды, и хорошо
приспосабливаться к обитанию в них могут самые различные организмы. В
установках с активным илом их меньше и они не так разнообразны по видовому
составу.
Бактерии. Многочисленны в реакторах обоих типов, но в реакторах с
активным илом их относительно больше. Основная задача бактерий – первичеая
трансформация и разложение растворенных органических веществ. Они также
участвуют в разложении взвешенных органических веществ посредством
синтеза внеклеточных ферментов. Обычное содержание бактерий в активном
иле составляет 10
10
– 10
12
на литр [3].
Грибы. Конкурируют с бактериями за источники питания и, поскольку
преимущество обычно бывает на стороне бактерий, в реакторах грибы не так
многочисленны, как бактерии. Однако именно их развитию способствуют
низкие значения рН в реакторе. Грибы лучше представлены в биофильтрах, чем
в активном иле.
Водоросли. Обнаруживаются на поверхности биофильтров, где условия
благоприятны для их развития (свет и питание), а также в биопрудах,
используемых на конечных стадиях очистки стока.
Простейшие. Обычные обитатели биофильтров. В сооружениях с
активным илом их численность зависит от нагрузки на это сооружение: чем
ниже нагрузка, тем больше простейших. Простейшие паразитируют на
бактериях, поедают грибы и водоросли, взвешенные органические вещества и
выполняют важную функцию во вторичном осаждении сточных вод.
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
41
3835.000130.000 ПЗ
Многоклеточные. Ареал распространения тот же, что и у простейших, т.е
они предпочитают биофильтры и активный ил при низкой нагрузке. В реакторах
можно обнаружить коловраток, ракообразных, различного вида насекомых и
т.д.[1]
1.4 Биологическая очистка сточных вод от органических загрязнителей
Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать
органические вещества для питания в процессе жизнедеятельности — они для
микроорганизмов являются источником углерода и энергии. Контактируя с
органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их,
превращая в воду, диоксид углерода, нитрит - и сульфат - ионы и др. Другая
часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических
веществ называют биологическим окислением, возможности подачи
промышленных сточных вод на биологические очистные сооружения
устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, которые не
влияют на процессы окисления и на работу очистных сооружений.
Выделяют аэробный метод очистки от органических веществ. Он основан
на использовании аэробных групп организмов, для жизнедеятельности
которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20—40 °С.
При изменении кислородного и температурного режима состав и число
микроорганизмов меняются. При аэробной очистке микроорганизмы
культивируются в активном иле или биопленке.
Аэробная стабилизация - это процесс окисления органических веществ в
присутствии микроорганизмов и кислорода атмосферного воздуха, вводимого
принудительно. Этот процесс, с точки зрения кинетики распада органики,
аналогичен процессу окисления органических загрязнений в аэротенке.
Аэротенками называют железобетонные аэрируемые резервуары, процесс
очистки в них идет по мере протекания через него аэрированной смеси
сточной воды и активного ила. Аэрация необходима для насыщения воды
кислородом и поддержания ила во взвешенном состоянии. Сточную воду
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
42
3835.000130.000 ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
43
3835.000130.000 ПЗ
направляют в отстойник, куда для улучшения осаждения взвешенных частиц
можно подавать часть избыточного ила. Затем осветленная вода поступает в
предаэратор-усреднитель, в который направляют часть избыточного ила из
вторичного отстойника. Здесь сточные воды предварительно аэрируются
воздухом в течение 15—20 мин. В случае необходимости в предаэратор могут
быть введены нейтрализующие добавки и питательные вещества. Из
усреднителя сточную воду подают в аэротенк, через который циркулирует и
активный ил. [30]
Биологические процессы, протекающие в аэротенке, могут быть
разделены на два этапа:
1) адсорбция поверхностью активного ила органических веществ и
минерализация легко окисляющихся веществ при интенсивном потреблении
кислорода;
2) доокисление медленно окисляющихся органических веществ,
регенерация активного ила; на этом этапе кислород потребляется медленнее.
Большинство микроорганизмов в процессе жизнедеятельности
деструктируют органические загрязнения при одновременном потреблении
кислорода. т.о. постоянно восполняя запас энергии и получая "строительный
материал" для производства новых микроорганизмов.
Органические вещества, попадающие в аэробный биологический реактор,
могут:
- окисляться до диоксида углерода и различных питательных веществ;
- ассимилироваться в биомассе (иле);
- проходить сквозь реактор, не претерпевая изменений (биологически не
разлагаемые в данных условиях вещества);
- превращаться в другие органические вещества.
Процесс идет до образования безвредных конечных продуктов (СО
2
,
Н
2
О), при одновременном образовании новых микроорганизмов (рис 14).
После отделения от воды, часть микроорганизмов образуют "избыточный
активный ил", который должен быть определенным образом обработан.
Микроорганизмы
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
44
3835.000130.000 ПЗ
Органические вещества {CHO}n Диоксид углерода
+ кислород О
2
+ вода
+ биогенные элементы СО
2
+ Н
2
О
Новые микроорганизмы
Рис.14 - Влияние микроорганизмов на органические вещества
Для того чтобы происходил процесс биологического окисления
органических веществ, находящихся в сточных водах, они должны попасть
внутрь клеток микроорганизмов. К поверхности клеток вещества поступают
за счет конвективной и молекулярной диффузии, а внутрь клеток —
диффузией через полупроницаемые цитоплазматические мембраны,
возникающей вследствие разности концентраций веществ в клетке и вне её.
Однако большая часть вещества попадает внутрь клеток при помощи
специфического белка-переносчика. Образующийся растворимый комплекс
веществ — переносчик, диффундирующий через мембрану в клетку, где он
распадается, и белок-переносчик включается в новый цикл переноса.
Основную роль в процессе очистки сточных вод играют процессы
превращения вещества, протекающие внутри клеток микроорганизмов. Эти
процессы заканчиваются окислением вещества с выделением энергии и
синтезом новых веществ с затратой энергии.
Если в сточных водах находится несколько веществ, то процесс
окисления будет зависеть от содержания и структуры всех растворенных
органических веществ. В первую очередь будут окисляться те вещества,
которые необходимы для создания клеточного материала и для получения
энергии. Другие вещества потребляются микроорганизмами в зависимости от
набора ферментов с равными или разными скоростями окисления
одновременно или последовательно. Порядок окисления вещества
сказывается на продолжительности очистки сточных вод. При
последовательном окислении вещества продолжительность, очистки