Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н. Химия воды и микробиология
Подождите немного. Документ загружается.
биоценозом.
От
естественных
экосистем,
примерами
ко
торых
могут
служить водоемы
или
их
участки,
искуссг
венные
экосистемы
очистных
сооружений
отличает
высокая
плотность
биоиаселения,
высокая
концентрация
питатель
ных
веществ,
возможность
поддержания
в
них
оптимальных
условий
ДJНI
жизнедеятельности
организмов
биоценоза.
Все
эти
особенности
искусственных
экосистем
в
совокупности
позволяют
добиться
высокой
интенсивности
биохимических
процессов
в
очистных
сооружениях.
В
то
же
время
по
своей
СУЩНОСТИ
процессы
биологического
окис.ления
в
природных
условиях
И
в
очистных
сооружениях
ана
ЛОГИЧНЫ.
48.
АЭРОБНЫЕ
ПРОЦЕССЫ
Очистку
сточной
воды
в
аэробных
условиях
осуществ
ляют
в
сооружениях
двух
основных
модификаций:
в
аэро
тенках
с
активной
биомассой
(активный
ИЛ),
взвешенной
в
воде,
или
в
биофильтрах,
где
а~тивная
биомасса
(биопленка)
при
креплена
к
зернам
инертной
загрузки.
Состав
микрофлоры
и
микрофауны
илов
и
биопленки
формируется
в
зависимости
от
экологических
условий,
основными
ИЗ
которых
являются
состав
обрабатываемых
СТОЧНЫХ
вод,
уровень
растворенного
кислорода,
температу
ра,
рН,
соотношение
количества
пищи
и
микроорганизмов,
наличие
токсичных
веществ
и
т.д.
Бионаселение
активного
ила
и
биопленки
образует
сложный
биоценоз,
представленный
бактериями,
про
стейшими,
грибами,
водорослями
и
некоторыми
мноroкле
точными
организмами,
такими,
как
коловратки,
черви,
личинки
насекомых.
OCHOBHYIO
роль
В
процессах
окисления
органических
и
некоторых
неорганических
примесей
сточных
вод
играют
бактерии.
Общее
количество
их
в
активном
иле
достигает
108_1014
клеток на
1
г
сухоro
вещества.
К
числу
самых
распространенных
видов
бактерий
относятся
псевдомона
ды.
Кроме
них
в
илах
городских
очистных
сооружений
обнаруживают
бактерии
родов
Bacillus,
Bacterrium,
Achromobacters Zoogloea
и
др.,
а
также
семейства
энте
робактерий.
В
активном
иле
практически
всегда
присутст
вуют
актиномицеты.
Из
животного
населения
ила
наиболее
~ноroчисленны
про
стейшие,
представленные
двумя
типами:
саркомастиroфорами
180
и
инфузориями.
Роль
простейших
мноroпланова.
Они
пита
ются
бактериями,
подцерживая
в
иле
бактериальное
равно
весие.
Поедая
наряду
с
МОЛОДЫМИ
cтapые
клетки,
простейшие
обусловливают
омоложение
ила
и
развитие
HoBых
жизнеспо
собных
клегок.
Кроме
ТОГО,
вывобождаетсsl
в
воду
до
полнительное
количество
экзоферментов.
ПростеЙIПие
пита
ются
также
частицами
исходных
заrpязнений,
блаroдаР51
чему
происходит
ДОПOJIВительное
осветление
вoды.
По
чиcnеlПlОСТИ
простейших
и
их
cocroянию,
определяемому
по
внешнему
ВИДУ,
можно
судить
об
условиях
работы
очистного
сооружения
и
намечать
Mepы
оперативного
управлеlПlЯ
процессом.
В
иле
хорошо
работающего
аэротенка
обычно
находят
10-15
видов
простейших,
достаточно
равномерно
представ
ленных
либо
с
незначительным
преобладанием
одно-двух
видов.
В
таком
иле
редко
обнаруживаются:
мелкие
амеБы
и
жгутиковые,
в
основном
развиваются
разнообразные
инфузории
с
преобладанием
брюхоресничных
и
круго
ресничных.
Любое
нарушение
в
работе
аэротенка
приводит
к
снижению
числа
видов
простейmих,
преобладанию
одноro
или
двух
видов,
к
изменению
размера
и
подвижности
организмов.
Так,
при
недостатке
в
сооружении
кислорода
преимущественное
развитие
получают
простейшие,
способ
Hыe
существовать
в
усЛовиях
КИCJIородного
дефицита.
Это
в
основном
жгутиковые,
из
инфузорий
развивается
инфу
зория-туфелька.
Вортицеллы
отрываются
от
стебелька
и
раздуваются.
У
круroресничных
инфузорий
ресничный
диск
замкнут.
Некоторые
индикаторные
простейшие
активного
ила
показаны
на
рис.
28.
Кроме
простейших
фауна
активного
ила
представлена
коловратками,
выполняющими
те
же
функции,
что
и
про
стеЙшие.
Реже
в
иле
появляются
черви.
Видовой
состав
бактерий
биопленки
практически
не
отличается
от
активного
ила,
при
условии
обработки
сточ
Hыx
вод
одного
И
того
же
состава.
Существенные
различия
между
активным
илом
и
биопленкой
наблюдается
в
составе
фауны.
В
биопленке
в
большом
количестве
развиваются
черви,
потребляющие
в
качестве
питания
избыточную
биомассу.
Минерализуя
биопленку,
они
способствуют
ее
Bыосуy
из
загрузки,
а
прорывая
ходы
в
биопленке,
черви
облегчают
доступ
кисло
рода
к
глубоким
ее
слоям.
18]
f
5
Рис.
28.
Нек:оюрые
Иllдикаторные
простейmие
8ПИВНОro
ила
Организмы
-
показатели
хорошей
работы
аэротеНJCа:
1 -
ArceJla
discoides; 2 - Aspidisca turrida; 3 - Opercularia
glQшеrata;
4 - Epistylis
plicatilis;
j - Oxytricha pellionella; 6 - Tokophrya lemnarum.
Организмы
-
показатеди
плохой
работы
аэротенка:
7 - Utonotus
lamella; 8 - Colpoda steini; 9 - Podophrya collini; 10 - Bodo edax
Фауна
биофильтров
подвержена
сезонным
изменениям.
В
определенные
периоды
года
в
биофильтре
развивается
мно
жество
очень
прожорливых
личинок
И
куколок
насекомых.
Поедая
биоnленку,
они,
как
и
черви,
минерализуют
ее.
Закономерности
биохимического
окисления
органических
веществ
в
аэробных
условиях.
Активный
ил
имеет
вид
хлопьевидной
массы
со
средним
размером
хлопь
ев
1-4
ММ.
ОН
имеет
очень
развитую
поверхность,
сос-
182
тавляющую
около
100м2
на
1 r
сухого
вещества,
что
обус
ловливает
его
большую
адсорбционную
способность.
Бла
годаря
столь
значительной
поверхности
активного
ила
уже
через
несколько
минут
контакта
его
со
сточной
водой
основная
масса
загрязнений
оказывается
сорбированной
хлопьями
ила.
АкТИВНЫЙ
ил
обладает
высокой
гидролизной
активностью,
гидролитические
экзоферменты
располагаются
на
поверхности
бактериальных
клеток,
что
исключает
потери
проду~тов
гидролиза
в
окружающую
среду.
Благо
даря
действию
экзоферментов
на поверхности
lCЛеток
обра
зуетс.51
сложный·
комплекс
исходных
веществ,
ферментой
и
продуктов
ферментативноro
гидролиза.
Последние
перено
ся:тся
внутрь
клетки,
где
и
происходит
их
окисление
(см.
рис.
14.>.
Процессы
окисления
часто
протекают
значительно
медленней,
чем
изъятие
веществ
из
сточной
Boды
хлопьями
ила.
В
этом
случае
можно
после-
небольшоro
периода
аэрации
отделить
ил
от
ВОДЫ
и
продувать
ero
воздухом
без
подачи
питательных
веществ
(сточной
воды).
Такой
процесс
называют
регенерацией
активного
ила,
в
ходе
которой
ил
восстанавливает
свою
биохимическую
активность.
В
процессе
регенерации
о
кисл
я:ются
коа
гулированные
илом
коллоидные
инерастворимые
примеси
и
продолжается
развитие
бактериальной
культуры,
что
приводит
К
увеличению
числа
жизнеспособных
клеток.
Для
гетеротрофных
бактерий
активного
ила
загрязнени.51
СТОЧНЫХ
вод
одновременно
служат
источниками
и
энергии,
и
ОСНОВНЫХ
биогенов
для
синтеза
:клеточного
вещества.
Часть
загрязнений,
потребляемая
в
энергетическом
обмене,
окисляется
бактериями
полностью
в
процессе
аэробного
дыхания
(СМ.
16).
Если
сумму
органических
загрязнений
сточных
вод
обоз
начит~
через
CxHyOzN,
то
процесс
очистки
от
этих
загря:знений
можно
представить
следующими
ус
..
i
10вными
реакциями:
у
СD
2
..
Н
2
С
+
А/Н]
+
ЭНЕРГИЯ
C
x
H
y
O
l
N+D
2
(
55)
Процесс
(54)
символизирует
окисление
загрязнений
сточных
вод
с
целью
получения
энергии,
которая
необ
ходима
для
синтеза
клеточноro
вещества
CSH7NOz
в
183
процессе
(55).
Условная
формула
CSH7N02
показывает
со
отношение
элементов
в
биомассе
активного
ила.
.
Когда
основная
часть
питательных
веществ
сточной
во
ДЫ
использована,
начинается
самокисление
активного
ила:
CSH7N02 +
02
~
5СО2
+
NНз
+
2Н20
+
энергия.
(56)
К
:nOMY
моменту
в
среде
создаются
благоприятные
условия
ДЛЯ
развития
автотрофныx
бактерий
-
нитрификаторов,
окиCJIЯЮЩИХ
аммонийНhIЙ
азот
по
реакцИям
(4)
и
(5).
Вновь
синтезированная
биомасса
или
прирост
ила
(55)
удаляется
из
системы
ДЛЯ
последующей
обработки.
Эта
часть
активного
ила
называется
uзБЫn10ЧНЫUW
UЛO~
Для
нормальной
жизнедеятельность
активноro
ила
не
обходимо
достаточное
количество
биогенных
элементов
-
азота
и
фосфора.
Потребности
клеток
в
фосфоре
относительное
невелики,
поэтому
в
условных
реакциях
(54), (55)
и
(56)
фосфор
не
фигурирует.
Считается,
то
при
очистке
roродских
сточных
вод
на
каждые
100
частей
загрязнений,
описываемых
величиной
БПК,
в
среде
должно
быть
5
частей
азота
и
1
часть
фосфора.
Иными
словами
ДОЛЖНО
соблюдатьс.sl
соотношение
БПК:N:Р
- 100:5: 1.
Количество
кислорода
рассчитывается
как
сумма
рас
хода
кислорода
на
реакции
(54), (55),
на
частичное
окисление
ила
и
в
системах
с
нитрификацией
на
окисление
аммонийного
азота
(4)
и
(5).
Примечательно,
что
затраты
КИCJIорода
в
процессах
энергетическоro
обмена
(54)
и
синте
за
клеточноro
вещества
(55)
составляют
БПКпo.nн
очища-
u
емои
Boды.
49.
АНАЭРОБНЫЕ
ПРОЦЕССЫ
в
технологии
очистки
roродских
сточных
вод
анаэр~
ное
о"uсление
применяют
в
основном
){
концентрирован
ным
субстратам.
На
станции
биологической
очистки
к
их
числу
относятся
сырой
осадо/С,
образующийся
при
пред
варительном
(перед
биологической
очисткой)
отстаивании
сточной
воды,
и
uзбыточный
а/Стивный
ил,
или
VuоnлeнlCа.
Осадок
и
активный
ил
относятся
IC
группе
гидрофильных
органических
субстратов,
легко
загнивающих
и
потому
под
лежащих
обработке.
основныии
органическими
компонентами
осадка
и
ила
являются
белки,
жиры
и
углеводы,
в
сумме
составляющие
75-85%
беззольного
(органического)
вещества.
Остальные
15-20%
приходятся
на
долю
лигнино-гумусового
комп-
184
лексз.
количественныe
соотношеWlЯ
веществ
указанных
классов
в
осадке
и
ме
заметно
различаются.
В
активном
иле
больше
белков,
тах
как
он
представляет
собой
живую
биомассу,
а
осадке
преобладают
жиры
и
углеводы.
Важна51
характеристика
осадка
и
ила
-
бактериальная
обсеменениость
и
наличие
яиц
гелЬМИТОВ.-
OKOJIO
40-50%
бактерий,
присутствующих
в
сточной
воде,
и
примерно
столько
же
яиц
гельмитов
при
отстаивании
переходят
в
осадок.
Еще
около
40 %
биологических
загрязнений
ока
зыBaeтcя
в
активном
иле.
Так
как
суммарный
объем
этих
осадков
обычно
не
преВhlшает
1 %
от
объема
сточной
воды,
очевидно,
что
концеhТрация
биологических
загрязнений
в
них
существенно
больше,
чем
В
исходной
воде.
Так,
со
держание
коли-форм
в
1 r
сухого
вещества
осадка
сос
тавляет
10'-108,
активноro
ила
-
10~-107.
Это
делает
осадки
чрезвычайно
опасНhIМИ
в
санитарио-эпидемиологиче
СКОМ
отношении,
поэтому
одной
из
целей
обработки
осадков
я.вляется
из
обезвреживание.
Анаэробное
окисление
органических
компонентов
осад
ка
осуществляют
по
типу
брожения
(СМ.
16).
Брожение
называют
метановым,
так
как
метан
-
один
из
конечных
продуктов
процесса.
Процесс
сбраживания
можно
ПРОВОДИТЬ
либо
В
ме
зофильном
режиме
при
зо-зs<>с,
либо
в
условиях
тер
мофИЛЬНЫХ
те~ператур
50-5S'C.
В
последнем
варианте
достигается
полное
обезвреживание
осадКОВ.
Биоценоз
микроорганизмов,
сбраживающих
осадок,
на
зыают
анаэрООнblAt
UJЮм..
В
отличие
от
активного
ила
аэротенков
анаэробный
ил
-
чисто
бактериальный
с
чрез
выайноo
разнообразным
населением.
Условно
бактериаль
ное
население
анаэробного
ила
можно
разделить
на
две
группы,
кисл~разующие
бактерии
и
метаногенные
или
-метанообразующие
бактерии.
Кислотообразующие
бактерии
представлены
облигат
выии
и
факультативными
анаэробами.
Из
бродящего
осадка
разныии
исследователями
выделено
от
50
до
92
видов
бак
терий,
из
них
около
по~овины
способны
образовывать
споры.
В
совокупности
кислотообразующие
бактерии
спо
собны
использовать
в
качестве
источников
энергии
и
эле
мент')в
ДЛЯ
конструктивного
обмена
все
компоненты
осадка
и
ила.
Время
генерации
многих
видов
кислотообразующих
бактерий
составля:ет
20-60
мин.
Они
способны
жить
в
185
широком
интервале
значений
рН
и
ОКИCJIительно-восстз
новительного
потенциала.
Виды
метанообразующих
бактерий
немноroчисленны
и
относятс~
В
трем
родам:
Methanobacterium,
Methanococcus,
Methanosarcina.
Все
метаногенные
бактерии
-
облигатные
анаэробы,
очень
чувствительные
к
любым
даже
слабым
окислителям.
Оптимум
рН
и
ОКВ
ограничен
очень
узким
интервалом,
соответственно
6,8-1,5
и
(-510)-
(-590)
мВ.
Они
очень
медленно
размножаются:
время
ге
нерации
составляет
от
24
ч
до
нескольких
СУТОК.
Закономерности
биохимического
окис.аения
веществ
в
анаэробных
условиях.
Последовательность
биохимических
превращений
сложных
органических
компонентов
осадка
и
активного
ила
в
процессе
брожения
принято
описывать
схе
мой
Баркера.
В
соответствии
с
этой
схемой
метановое
сбраживание
представляют как
двухстадийный
процесс,
включающий
стадии
кисдотообразования
и
метанообразо
вания.
Стадия
lCuслотftого
броженuя.
Эту
стадию
осуществ
ляют
кислотообразующие
бактерии.
Обладая
высокой
гидролитической
активностью,
бактерии
гидролизуют
белки,
жиры
и
углеводы
осадка
и
ила,
превращают
их
в
соединения,
легко
проникающие
внутрь
клеток.
Внутрикле
точные
превращения
продуктов
гидролиза
белков,
жиров
и
углеводов
(СМ.
16)
приводят
к
образованию
кислот
и
спиртов
жирного
ряда,
Н2
и
СО2.
Более
70%
образо
вавшихея
кислот
приходится
на
долю
уксусной
кислоты,
около
25%
составляют
масляная
и
пропионовая
кислоты,
в
небольших
количествах
образуются
капроновая
и
ва
лериановая
кислоты.
Стадия
щелочного
или
MeтaHoao~o
броженuя.
Мета
ногенные
бактерии,
осуществляющие
эту
стадию,
не
спо
собны
утилизировать
сложные
органические
компоненты
осадКОВ,но
потребляют
низшие
жирные
кислоты
и
соответ
ствующие
спирты
-
продукты
метаболизма
кислотообра
зующих
бактерий.
Биологическая
роль
образования
метана
состоит
в
получении
клеткой
необходимой
энергии.
Существуют
два
основных
пути
образования
метана.
1.
Восстановление
метильной
группы
уксусной
кислоты
и
метилового
спирта:
186
СНзСООН
!i.:..
L
CH4
+
СО2;
4СНзОН
~~
ЗСII4
+
СО2
+
Н20.
(57)
(58)
..-
___
...
"20
СО:
КАПI'OМ08AJI
KМCnOTA
..........
~
........ -
....
МlТМIlO8~
cn
......
Рис.
29.
Биохимичесuе
превращенИJI
веществ
на
стадии
метанообра
ЗОВ8нu
2.
Восстановление
диоксида
углерода:
Б
n
.
4АН2
+
СО2
--..
СН4
+
2Н20
+
А,
(59)
где
АН2
-
жирные
кислоты,
кроме
уксусной,
и
спирты,
кроме
метилового.
Например,
превращение
этилового
спирта
происходит
в
соответствии
с
реакцией:
2СНЭСН20Н
+
СО2
---СН4
+
2СНзСООН.
По
типу
реакции
(59)
происходит.
и
восстановление
молеКУЛ)iРНЫМ
водородом
-
продуктом
первой
стадии
бро
жения:
Общаjl
схема
превращения
низших
жирных
КИСЛОТ
и
соответствующих
спиртов
в
процессе
метановоro
брожения
показана
на
рис.
29.
Считается,
что
около
70%
метана
образу
eTCSI
в
реакциях
(57)
и
(58),
а
остальные
30% -
при
восстанов
лении
диоксида
углерода
(59).
Образующийся
в
процессе
брожения
газ
состоит
из
метана
(65
-
70%>
и
СО2.
187
В
нормально
работающем
метантенке
обе
стадии
бро
жения
идут
синхронно.
Любые
нарушения
режима
сбраживания
(перегрузка,
перегрев,
изменение
ОКВ)
в
пер
вую
очередь
сказываются
на
MeTaHoгeHHыx
бuктериях,
поэтому
усилия
теХНОJIОГОИ
направлены
на
поддержание
оптима...'1ЬНЫХ
условий
жизнедеятельности
метанообразу
ЮЩИХ
бактерий.
г
л
а
в
а
17.
ПРОЦЕССЫ
ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ
воды
ОДНОЙ
ИЗ
основных
задач
очистных
сооружений
водо
провода
и
канализации
является
предотвращение
возмож
ноro
распространения
через
воду
кишечных
инфекций.
Эффективность
работы
станций
полной
био~огической
ОЧИСТКИ
СТОЧНЫХ
вод
по
удалению
бактериальных
загряз
нений
обычно
составляет
90-95%.
Коагулирование,
отстаивание
и
фильтрование Boды
на
водопроводных
станциях
также
обеспечивают
изъятие
основной
части
микрофлоры
и
микрофауны
природной
воды.
Однако
санитарно-эпидемиологическая
безопасность
воды
обес
печивается
только
при
условии
ее
обеззараживания.
Под
обеззараживание,м
понимают
дезинфекцию
воды,
т.е.
удаление
из
нее
и
уничтожение
патогенных
микроор
ганизмов.
Обеззараживание
воды
может
быть
достигнуто
многими
способами:
тепловой
обработкой,
действием
уль
тразвуковых
колебаний,
ультрафиолетового
или
ионизирующего
излучения,
сильных
окислителей
и
т.д.
Любой
вид
обеззараживания
приводит
к
поражению
и
гиб~ди
бактериальной
клетки
в
результате
свертывания
белков
цитоплазмы
или
нарушения
пограНИЧНhlХ
структур
клетки,
или
химического
взаимодействия
обеззараживаю
щего
агента
с
клеточными
веществами.
Бактерицидные
агенты
могут
обладать
и
комбинированныM
действием,
под
которым
подразумевается
одновременное
проявление
не
скольких
механизмов
поражения
клетки.
Свертывание
белков
происходит
при
тепловой
обработке
и
при
действии
электролитов,
приводящих
к
коагуляции
коллоидов
цитоплазмы.
Повреждение
белковых
структур
И,
в
частности,
ферментов
вызывают
соли
серебра
и
меди.
Особенностью
этих
соединений
является
их
способность
188
оказывать
микробоIJ,идное
действие
в
очень
малых
концен
трациях
(олигодинамическое
действие).
На
поверхностные
структуры
клетки
воздействуют
СПАВ,
некоторые
G.нтибиотики,
фенолы,
спирты.
Например,
СПАВ,
сорбируясь
на
поверхности
клетки,
на
рушают
проницаемость
оболочки
и
цитоплазматической
мембраны,
что
приводит
К
нарушению
равновесия
клетки
с
окружающей
средой
и
ее
гибели.
Механическое
нару
шение
целостности
клеточной
стенки
и
мембраны
вызыва
ется
действием
у
лътразвука.
Разрушение
молекулярных
структур
цитоплазмы
происходит
под
действием
ионизирующего
облучения,
спо
собного
вызывать
ионизацию
атомов
и
молекул.
Микробоцидное
действие
сильных
окислителей
объяс
няется
их
способностью
вступать
в
химическое
взаимо
действие
с
компонентами
цитоплазматической
мембраны
и
разнообразными
биополимерами
цитоплазмы
клетки.
Для
обеззараживания
питьевых
и
сточных
вод
чаще
всего
применяют
обработку
воды
сильными
окислителями.
В
качестве
окислителей
используют
хлор
и
его
соединения
(хлорная
известь,
ДИОКСИД
хлора),
а
также
озон.
Для
обез
зараживания
подземных
од
при
меняют
и
бактерицидное
облучение.
,
Эффективность
снижения
бактериaJ.IЬНЫХ
загрязнений
сточных
вод
на
станциях
ПОЛНОЙ
биологической
очистки
с
обеззараживание
повышается
до
99:5-99,9%.
Коли-индекс
биологически
очищенных
сточных
вод,
сбрасыnаемых
в
во
доем,
не
должен
при
этом
быть
выше
1000.
Обезза
раживанием
воды
на
коммунальных
водопроводах
обес
печивает
практически
полное
уничтожение
коли-форм
(коли-индекс
не
более
3).
Сильные
окислители,
однако,
не
оказывают
губительного
действия
на
яйца
ге.JIЬМИНТОВ.
Как
уже
roворилосъ,
в
санитарном
отношении
осадки
пред
ставляют
еще
БОльшую
опасность,
чем
сгочная
вода.
Обезв
реживание
и полная
дегелЬМЮlтизация
осадков
сгочных
вод
достигаются
в
результате
анаэробного
сбраживания
их
в
тер
мофильных
условиях
(t
=
50-5.s<'c>.
в
мезофильном
режиме
(при
температуре
зо--зз
О
с)
погибает
ОКОЛО
половины
ЯИЦ
гельМИНТОВ.
При
отсутствии
на
станциях
метантенков
обез
зараживание
осадка
осуществляют
с
помощью
газовых
горелок
Иhфракрасноro
излучения,
прогревом
осадка
острым
паром
ДО
t =
60-6s
0
c,
известкованием
или
компостированием.
189