Колесников В.П., Вильсон Е.В. Современное развитие технологических процессов очистки сточных вод в комбинированных сооружениях

Подождите немного. Документ загружается.

ðîä, â êîíå÷íîì ñ÷åòå, ïåðåíîñèòñÿ íà îðãàíè÷åñêèå àêöåïòî-

ðû. Êèñëîðîä â ïðîöåññàõ áðîæåíèÿ íå ó÷àñòâóåò, ïî ñëîâàì

Ïàñòåðà, áðîæåíèå ýòî æèçíü áåç êèñëîðîäà. Ñáðàæèâàíèþ ïîä-

âåðãàþòñÿ â îñíîâíîì óãëåâîäû, íî ìíîãèå áàêòåðèè ñïîñîáíû

ñáðàæèâàòú ðàçëè÷íûå îðãàíè÷åñêèå êèñëîòû, àìèíîêèñëîòû è

äð. Ãèäðîëèç ïîëèñàõàðèäîâ äî ìîíîñàõîðîâ îñóùåñòâëÿåòñÿ âíå

êëåòêè, êàòàëèçèðóåìûé ýêçîôåðìåíòàìè, ìîíîñàõàðà â êëåò-

êå ïîäâåðãàþòñÿ òðàíñôîðìàöèè, áèîõèìè÷åñêèå ðåàêöèè óñêî-

ðÿþòñÿ ïîä äåéñòâèåì ýíäîôåðìåíòîâ. Áðîæåíèå îñóùåñòâëÿåò-

ñÿ ìèêðîîðãàíèçìàìè â àíàýðîáíûõ óñëîâèÿõ, ïðè ýòîì áèîäåã-

ðàäàöèÿ óãëåâîäîâ ïðîèñõîäèò íå äî ïðîäóêòîâ ïîëíîãî áèî-

îêèñëåíèÿ – óãëåêèñëîãî ãàçà è âîäû (êàê â àýðîáíûõ óñëîâè-

ÿõ), à äî îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, êîòîðûå è âûäåëÿþòñÿ âî

âíåøíþþ ñðåäó, íàêàïëèâàÿñü â íåé. Ïðè÷åì êàæäûé âèä ìèê-

ðîîðãàíèçìîâ, ñîãëàñíî ñâîåìó ôåðìåíòàòèâíîìó ñîñòàâó, îêèñ-

ëÿåò óãëåâîäû äî êîíêðåòíûõ îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ. Â çàâèñè-

ìîñòè îò ïðåîáëàäàþùèõ èëè îñîáåííî õàðàêòåðíûõ âûäåëÿå-

ìûõ ïðîäóêòîâ ðàçëè÷àþò: ñïèðòîâîå, ìîëî÷íîêèñëîå, ïðîïèî-

íîâîêèñëîå, ìóðàâüèíîêèñëîå, ìàñëÿíîêèñëîå è óêñóñíîêèñëîå

áðîæåíèÿ, à òàêæå áðîæåíèå, ïðèâîäÿùåå ê îáðàçîâàíèþ ìåòà-

íà. Íàïðèìåð, â ðåçóëüòàòå îêèñëåíèÿ óãëåâîäîâ äðîææàìè îá-

ðàçóåòñÿ ñïèðò, ïîýòîìó ýòîò âèä áðîæåíèÿ ïîëó÷èë íàçâàíèå

ñïèðòîâîãî:

ýêçîôåðìåíòû ýíäîôåðìåíòû

Ïîëèñàõàðèäû ⎯⎯⎯⎯→ Ñ

⎯⎯⎯→ 2ÑÍ

ÑÍ

ÎÍ+2ÑÎ

Ñïèðòîâîå áðîæåíèå îñóùåñòâëÿåòñÿ â êèñëîé ñðåäå

(ðÍ ≈ 6), äðîææè óñòîé÷èâû ïðè âûñîêîé êîíöåíòðàöèè ñàõàðà

(îêîëî 76 %), íî êîíöåíòðàöèÿ ñïèðòà äîëæíà áûòü íå áîëåå

17%. Ñïèðòîâîå áðîæåíèå èìååò ìåñòî ïðè î÷èñòêå âûñîêîêîí-

öåíòðèðîâàííûõ ñòî÷íûõ âîä (ñòî÷íûå âîäû ñàõàðíûõ çàâîäîâ,

äðîææåâûõ, ãèäðîëèçíûõ, è ò.ä.). Ïðè îêèñëåíèè ãëþêîçû, ëàê-

òîçû, ÿáëî÷íîé êèñëîòû ïðîïèîíîâîêèñëûìè áàêòåðèÿìè îáðà-

çóåòñÿ ïðîïèîíîâàÿ êèñëîòà.

Ïðè ìàñëÿíîêèñëîì áðîæåíèè êîíå÷íûé ïðîäóêò áèîäåãðà-

äàöèè óãëåâîäîâ - ìàñëÿíàÿ êèñëîòà. Áàêòåðèè, îñóùåñòâëÿþùèå

ýòîò âèä áðîæåíèÿ, îáèòàþò â ñòî÷íûõ âîäàõ, âîäîåìàõ, íàâîçå,

ïî÷âå. Âîçáóäèòåëè ìàñëÿíîêèñëîãî áðîæåíèÿ – ñòðîãèå àíàý-

ðîáû. Ìàñëÿíîêèñëîå áðîæåíèå ïîäðàçäåëÿþò íà èñòèííî ìàñ-

ëÿíîêèñëîå, àöåòîíîáóòèëîâîå, áðîæåíèå ïåêòèíîâûõ âåùåñòâ.

Ìàñëÿíîêèñëîå áðîæåíèå îñóùåñòâëÿåòñÿ ïî óðàâíåíèþ:

ïîëèñàõàðèäû → 4Ñ

→ 3ÑÍ

ÑÍ

ÑÎÎÍ +

ÑÍ

ÑÎÎÍ+8ÑÎ

+8Í

Î.

Ïðè èñòèííî ìàñëÿíîêèñëîì áðîæåíèè êðîìå ìàñëÿíîé êèñ-

ëîòû îáðàçóåòñÿ óêñóñíàÿ, ïðè çíà÷åíèè ðÍ ìåíåå 5,5 âìåñòî

óêñóñíîé êèñëîòû îáðàçóþòñÿ áóòèëîâûé ñïèðò è àöåòîí.

Ïåêòèíîâûå âåùåñòâà (ìåæêëåòî÷íûå, ñîäåðæàòüñÿ â ëþ-

áîì ðàñòèòåëüíîì ìàòåðèàëå, íå ðàñòâîðèìûå â âîäå, ñïîñîá-

íûå ê íàáóõàíèþ) ñáðàæèâàþòñÿ ïî óðàâíåíèþ:

Ïåêòèí → ìîíîñàõàðà → ÑÍ

ÑÍ

ÑÎÎÍ+ÑÎ

+ Í

Î.

Ìåòàíîâîå áðîæåíèå, îñóùåñòâëÿþò ìåòàíîáðàçóþùèå

áàêòåðèè, îáëèãàòíûå àíàýðîáû. Ýòîò âèä áðîæåíèÿ îòêðûò â

1776 ã. Âîëüòîé. Ìåòàíîáðàçóþùèå áàêòåðèè îáèòàþò â îñàä-

êàõ, îáðàçóþùèõñÿ â ïðîöåññå î÷èñòêè ñòî÷íûõ âîä. Áèîãàç,

âûäåëÿþùåéñÿ â ïðîöåññå àíàýðîáíîãî áðîæåíèÿ, ïðåäñòàâëÿ-

åò ñîáîé ñìåñü 50 – 80 % ìåòàíà, 20 – 50 % óãëåêèñëîãî ãàçà,

íåçíà÷èòåëüíûõ êîëè÷åñòâ ñåðîâîäîðîäà, àçîòà, êèñëîðîäà, âî-

äîðîäà, àììèàêà è çàêèñè óãëåðîäà. Íå èìåÿ äîñòóïà íè ê êèñ-

ëîðîäó, íè ê äðóãèì ïðåäïî÷òèòåëüíûì â ýíåðãåòè÷åñêîì îòíî-

øåíèè àêöåïòîðàì ýëåêòðîíîâ (íèòðàò, ñóëüôàò, ñåðà è äð.), ìèê-

ðîîðãàíèçìû âûíóæäåíû èñïîëüçîâàòü äëÿ ýòîé öåëè óãëåðîä

ÎÂ, ÷òî, è ïðèâîäèò â êîíå÷íîì èòîãå ê íàèáîëåå ñèëüíî âîññòà-

íîâëåííîìó èç ñóùåñòâóþùèõ â ïðèðîäå óãëåðîäíûõ ñîåäèíå-

íèé – ìåòàíó. Â òî æå âðåìÿ äðóãàÿ ÷àñòü óãëåðîäà îðãàíè÷åñ-

êèõ ñîåäèíåíèé âûñòóïàåò â êà÷åñòâå äîíîðà ýëåêòðîíîâ, îêèñ-

ëÿÿñü äî óãëåêèñëîãî ãàçà (âòîðîãî îñíîâíîãî êîìïîíåíòà áèî-

ãàçà) /8/. Â êà÷åñòâå èñòî÷íèêà óãëåðîäà ìåòàíîáðàçóþùèå ìèê-

ðîîðãàíèçìû èñïîëüçóþò óêñóñíóþ êèñëîòó, à òàêæå Í

, ðàçëà-

ãàòü ñëîæíûå îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ îíè íå ìîãóò, òî åñòü

ìåòàíîâîå áðîæåíèå ÿâëÿåòñÿ çàêëþ÷èòåëüíûì ýòàïîì ïðåäøå-

ñòâóþùèõ âèäîâ áðîæåíèÿ: ñíà÷àëà äðóãèå áðîäÿùèå îðãàíèç-

ìû ñáðàæèâàþò óãëåâîäû äî æèðíûõ êèñëîò, ñïèðòîâ, ÑÎ

ìîëåêóëÿðíîãî âîäîðîäà (ýòà ôàçà áðîæåíèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðè

ðÍ<6, åå íàçûâàþò ôàçîé êèñëîãî áðîæåíèÿ), à óæå çàòåì ýòè

ïðîäóêòû áðîæåíèÿ ïåðåðàáàòûâàþòñÿ ìåòàíîáðàçóþùèìè

áàêòåðèÿìè. Ìåòàíîâîå áðîæåíèå îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðè ðÍ>7

è íàçûâàåòñÿ ùåëî÷íîé ôàçîé. Òàêèì îáðàçîì, äåãðàäàöèÿ îðãà-

íè÷åñêèõ âåùåñòâ ïðè ìåòàíîãåíåçå îñóùåñòâëÿåòñÿ êàê ìíîãî-

ñòóïåí÷àòûé ïðîöåññ, â êîòîðîì óãëåðîäíûå ñâÿçè ïîñòåïåííî

ðàçðóøàþòñÿ ïîä äåéñòâèåì ðàçëè÷íûõ ãðóïï ìèêðîîðãàíèçìîâ.

Ñîãëàñíî ñîâðåìåííûì âîççðåíèÿì, àíàýðîáíîå ïðåâðàùå-

íèå ïðàêòè÷åñêè ëþáîãî ñëîæíîãî îðãàíè÷åñêîãî âåùåñòâà â

áèîãàç ïðîõîäèò ÷åðåç ïÿòü ïîñëåäîâàòåëüíûõ ñòàäèé (Batstone

et al., 2002): – ñòàäèÿ äåçèíòåãðàöèè, êîãäà ñëîæíûå êëåòî÷íûå

îáðàçîâàíèÿ ðàñïàäàþòñÿ íà îòäåëüíûå áèîïîëèìåðû – áåëêè,

ëèïèäû, ïîëèñàõàðèäû è äð.; – ñòàäèÿ ãèäðîëèçà; ñòàäèÿ ôåð-

ìåíòàöèè; - àöåòîãåííàÿ ñòàäèÿ (ïðîäîëæèòåëüíîñòü ãåíåðàöèè

äàííîé ñòàäèè – 5-12 ÷àñîâ); – ìåòàíîãåííàÿ ñòàäèÿ, êîòîðàÿ âå-

äåò ê êîíå÷íîìó ïðîäóêòó äåãðàäàöèè ñëîæíûõ ÎÂ – ìåòàíó (ïðî-

äîëæèòåëüíîñòü ãåíåðàöèè ìåòàíîáðàçóþùåé – ùåëî÷íîé ñòàäèè

áðîæåíèÿ 7-10 ñóòîê).

Ñòàäèÿ ãèäðîëèçà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ðàñùåïëåíèå ñëîæ-

íûõ áèîïîëèìåðíûõ ìîëåêóë (áåëêîâ, ëèïèäîâ, ïîëèñàõàðèäîâ

è äð.) íà áîëåå ïðîñòûå îëèãî - è ìîíîìåðû: àìèíîêèñëîòû, óã-

ëåâîäû, æèðíûå êèñëîòû è äð. Ãèäðîëèç îñóùåñòâëÿåòñÿ ýêçî-

ãåííûìè ôåðìåíòàìè, âûäåëÿåìûìè â ìåæêëåòî÷íóþ ñðåäó ðàç-

ëè÷íûìè ãèäðîëèòè÷åñêèìè ìèêðîîðãàíèçìàìè. Äåéñòâèå ýòèõ

ôåðìåíòîâ ïðèâîäèò ê îáðàçîâàíèþ îòíîñèòåëüíî ïðîñòûõ ïðî-

äóêòîâ, êîòîðûå ýôôåêòèâíî èñïîëüçóþòñÿ ñàìèìè ãèäðîëèòè-

êàìè è äðóãèìè ãðóïïàìè áàêòåðèé íà ïîñëåäóþùèõ ñòàäèÿõ

ìåòàíîãåíåçà /8/. Ôàçà ãèäðîëèçà ïðè ìåòàíîâîì áðîæåíèè òåñ-

íî ñâÿçàíà ñ ôàçîé ôåðìåíòàöèè (êèñëîòîãåííîé), ïðè÷åì ãèä-

ðîëèòè÷åñêèå áàêòåðèè îñóùåñòâëÿþò îáå ôàçû, è èõ èíîãäà

îáúåäèíÿþò ñ ôåðìåíòàòèâíûìè áàêòåðèÿìè /15/.

Íà ñòàäèè ôåðìåíòàöèè îáðàçîâàâøèåñÿ ìîíîìåðû ñáðà-

æèâàþòñÿ äî åùå áîëåå ïðîñòûõ âåùåñòâ – íèçêîìîëåêóëÿðíûõ

êèñëîò è ñïèðòîâ, ïðè ýòîì îáðàçóþòñÿ òàêæå óãëåêèñëîòà è âî-

äîðîä. Ôåðìåíòàòèâíûå áàêòåðèè, òàê íàçûâàåìûå áàêòåðèè-áðî-

äèëüùèêè, ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñëîæíóþ ñìåñü ìíîãèõ âèäîâ

ìèêðîîðãàíèçìîâ, áîëüøàÿ ÷àñòü êîòîðûõ ÿâëÿåòñÿ ñòðîãèìè àíà-

ýðîáàìè è ëó÷øå âñåãî ôóíêöèîíèðóåò â äèàïàçîíå ðÍ 4,0 – 6,5 /13/.

Äîìèíèðóþùèìè ôîðìàìè ÿâëÿþòñÿ àíàýðîáíûå áàêòåðèè

ðîäîâ Bacteroides, Clostridium, Butyrivibrio, Eubacterium,

Bifidobacterium, Lactobacillus è íåêîòîðûå äðóãèå /4/. Îñíîâ-

íîé îñîáåííîñòüþ áðîäèëüùèêîâ ÿâëÿåòñÿ ñïîñîáíîñòü èñïîëü-

çîâàòü òå æå ñóáñòðàòû, ÷òî è ãèäðîëèòèêè, òî åñòü ïðîäóêòû

ãèäðîëèçà ïîëèìåðíûõ ñîåäèíåíèé è ïîñòóïàþùèå ñî ñòîêîì

ìîíîìåðû, íî â áîëåå íèçêèõ êîíöåíòðàöèÿõ.

Â îáùåì æå ýòàï, îïðåäåëÿåìûé äåÿòåëüíîñòüþ ôåðìåí-

òàòèâíûõ áàêòåðèé, ðàññìàòðèâàåìûé ïðèìåíèòåëüíî ê ïåðèî-

äè÷åñêîìó ïðîöåññó, ñîïðîâîæäàåòñÿ ðåçêèì óìåíüøåíèåì ñî-

äåðæàíèÿ óãëåâîäîâ â ñðåäå, ñíèæåíèåì âåëè÷èíû ðÍ ñðåäû, âîç-

ðàñòàíèåì îáùåãî ñîäåðæàíèÿ ëåòó÷èõ æèðíûõ êèñëîò (ËÆÊ).

Êà÷åñòâåííûé è êîëè÷åñòâåííûé ñîñòàâ ïðîäóêòîâ áðîæåíèÿ íà

ýòîé ñòàäèè ìîæåò ñèëüíî ìåíÿòüñÿ â çàâèñèìîñòè îò âèäà ñòî-

êà, òåìïåðàòóðû, ðÍ, Åh è äðóãèõ óñëîâèé. Òàê, íàïðèìåð, ïðè

ðåçêîì óâåëè÷åíèè ïîäà÷è ñóáñòðàòà â ðåàêòîðå ìîãóò îáðàçî-

âûâàòüñÿ èçáûòî÷íûå êîëè÷åñòâà ËÆÊ è âîäîðîäà, ñíèæàÿ çíà-

÷åíèÿ ðÍ è Åh. Íàêîïëåíèå ËÆÊ è ñïèðòîâ êðàéíå íåæåëàòåëü-

íî, òàê êàê èõ ðàçëîæåíèå ìîæåò ÿâëÿòüñÿ ëèìèòèðóþùåé ñòó-

ïåíüþ ïðîöåññà /8/. Ôåðìåíòàòèâíûå áàêòåðèè íàðÿäó ñ áåëêà-

ìè, óãëåâîäàìè, æèðàìè ìåòàáîëèçèðóþò ôåíîëüíûå, àçîò- è ñå-

ðîñîäåðæàùèå ñîåäèíåíèÿ /8/.

Íà àöåòîãåííîé ñòàäèè îáðàçóþòñÿ îñíîâíûå íåïîñðåä-

ñòâåííûå ïðåäøåñòâåííèêè ìåòàíà: àöåòàò, âîäîðîä, óãëåêèñëî-

òà. Ðàçëîæåíèå ïðîäóêòîâ êèñëîòîãåííîé ñòàäèè îñóùåñòâëÿþò

îáëèãàòíûå ïðîòîí-âîññòàíàâëèâàþùèå èëè îáëèãàòíî-ñèíòðîô-

íûå áàêòåðèè, êàê ïðàâèëî, íóæäàþùèåñÿ â âîäîðîäèñïîëüçóþ-

ùèõ ïàðòíåðàõ. Ñîîòâåòñòâóþùèå ðåàêöèè äëÿ ýòèõ áàêòåðèé ïðè-

âåäåíû â òàáë. 3.1. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ îïèñàíî íåñêîëüêî îáëèãàò-

íûõ ïðîòîí-âîññòàíàâëèâàþùèõ áàêòåðèé, èñïîëüçóþùèõ æèðíûå

êèñëîòû (Boone and Bryant 1980; McInerney et al, 1979).

Òàáëèöà 3.1.

Анаэробное окисление восстановленных веществ

облигатными протон-восстанавливающими бактериями и изменение

свободной энергии Гиббса

Òèïû ðåàêöèé ∆G

' êДæ/ìîëü

Бåç Í

–èñïîëüçóþùèõ ìåòàíîãåíîâ

ÑÍ

ÑОО

–

+ 2Í

→

2ÑÍ

ÑОО

–

+ Í

+ 2Í

+48.1

ÑÍ

ÑОО

–

+ 3Í

→

ÑÍ

ÑОО

–

+ Í

+ 3Í

+ ÍÑО

–

+76.1

–

+ 7Í

→

3ÑÍ

ÑОО

–

+ ÍÑО

–

+ 3Í

+54.0

Ñ Í

–èñïîëüçóþùèìè ìåòàíîãåíàìè

ÑÍ

ÑОО

–

+ÍÑО

–

+Í

→

4ÑÍ

ÑОО

–

+ÑÍ

+Í

-39.4

ÑÍ

ÑОО

–

+3Í

О →4ÑÍ

ÑОО

–

+3ÑÍ

+ Í

+ÍÑО

–

-102.4

4Ñ

+19Í

О →12ÑÍ

ÑОО

–

+3ÑÍ

+ÍÑО

–

+13Í

-190.8

Ñëîæíûé ïðîöåññ ðàñïàäà ÎÂ â àíàýðîáíûõ óñëîâèÿõ çà-

âåðøàþò ìåòàíîáðàçóþùèå àðõåè èëè ìåòàíîãåíû. Èõ ðàññìàò-

ðèâàþò êàê îñîáóþ âåòâü ýâîëþöèè îðãàíèçìîâ è ðàíåå íàçû-

âàëè àðõåáàêòåðèÿìè (Balch et al., 1979). Îíè ÿâëÿþòñÿ îáëè-

ãàòíûìè àíàýðîáàìè è îêèñëèòåëüíî-âîññòàíîâèòåëüíûé ïîòåí-

öèàë ñðåäû èõ ðîñòà ñîñòàâëÿåò - 330 ìÂ è íèæå (Pavuter &

Hungate, 1968). Ñðåäè ìåòàíîáðàçóþùèõ îðãàíèçìîâ âñòðå÷à-

þòñÿ ïñèõðîôèëüíûå, ìåçîôèëüíûå è òåðìîôèëüíûå âèäû. Äëÿ

ìåòàíîãåíîâ íàèáîëåå áëàãîïðèÿòíûìè óñëîâèÿìè ÿâëÿåòñÿ

ðÍ 6.6-7.6, à òàêæå ïîñòîÿíñòâî òåìïåðàòóðû è äàâëåíèÿ, îò-

ñóòñòâèå ñâåòà.

Ìåòàíîãåíû ìîãóò èñïîëüçîâàòü â êà÷åñòâå èñòî÷íèêîâ

ýíåðãèè è óãëåðîäà îãðàíè÷åííîå êîëè÷åñòâî ñóáñòðàòîâ - âñå-

ãî âîñåìü: óãëåêèñëûé ãàç â ñóììå ñ âîäîðîäîì, ôîðìèàò, çà-

êèñü óãëåðîäà, ìåòàíîë, àöåòàò, ìîíî-, äè- è òðèìåòèëàìèíû

(òàáë. 3.2). Â òàáëèöå 3.2 ïðèâîäÿòñÿ îñíîâíûå ðåàêöèè îáðàçî-

âàíèÿ ìåòàíà è èçìåíåíèÿ ñâîáîäíîé ýíåðãèè Ãèááñà. Î÷åâèäíî,

÷òî èìåííî âñëåäñòâèå ìàëîãî çíà÷åíèÿ

∆

íàáëþäàåòñÿ îòíîñè-

òåëüíî ìåäëåííûé ðîñò ìåòàíîãåíîâ íà äàííîì ñóáñòðàòå. Ñðåäè

íèõ íàèáîëåå âàæíûì ÿâëÿåòñÿ àöåòàò, èç êîòîðîãî ïðè ðàçëî-

æåíèè ñëîæíûõ ÎÂ îáðàçóåòñÿ áîëåå 70% ìåòàíà. Çà àöåòàòîì

ñëåäóåò óãëåêèñëîòà + âîäîðîä, ôîðìèàò, ìåòàíîë, ìåòèëàìè-

íû, ìåòèëêàðáîëàìèí, îêèñü óãëåðîäà /8, 20/.

Òàê êàê ìåòàíîãåííûå àðõåè 90-95% èñïîëüçóåìîãî óã-

ëåðîäà ïðåâðàùàþò â ìåòàí, òî ëèøü 5-10% óãëåðîäà èäåò íà

ðîñò áèîìàññû. Áëàãîäàðÿ óêàçàííîé îñîáåííîñòè äî 80-90% ÎÂ,

ðàçëàãàþùåãîñÿ â ïðîöåññå ðàçâèòèÿ ìåòàíîãåííîãî êîíñîðöè-

óìà, ïðåâðàùàþòñÿ â ãàç.

Ïî òèïó èñïîëüçóåìûõ ñóáñòðàòîâ âñå âèäû ìåòàíîáðà-

çóþùèõ îðãàíèçìîâ ìîãóò áûòü óñëîâíî ðàçäåëåíû íà 3 ïîä-

ãðóïïû /4/. Îðãàíèçìû ïåðâîé ïîäãðóïïû èñïîëüçóþò Í

+ ÑÎ

ê íèì îòíîñèòñÿ áîëüøèíñòâî ìåòàíîâûõ àðõåé, íåêîòîðûå èç

íèõ ñïîñîáíû òàêæå èñïîëüçîâàòü ôîðìèàò. Âòîðàÿ ïîäãðóïïà

ïðåäñòàâëåíà ìåòàíîãåíàìè, èñïîëüçóþùèìè àöåòàò. Îñóùå-

ñòâëÿòü ðåàêöèþ 3 (òàáë. 3.2) ñïîñîáíû ïðåäñòàâèòåëè òîëüêî

äâóõ ðîäîâ Methanosarcina è Methanosaete (ðàíåå

Methanothrix), ïðè÷åì äëÿ ïîñëåäíèõ àöåòàò ÿâëÿåòñÿ åäèíñòâåí-

íûì ñóáñòðàòîì ðîñòà, ê êîòîðîìó îíè îáëàäàþò î÷åíü âûñî-

êèì ñðîäñòâîì. Áèîìàññà áàêòåðèé ðîäà Methanosarcina óäâà-

èâàåòñÿ çà 20-30 ÷, ðîäà Methanosaete- çà 200-300 ÷. Â íàñòîÿ-

ùåå âðåìÿ îïèñàíî òðè âèäà ìåòàíîñàåò: äâà ìåçîôèëüíûõ M.

soehngenii (Huser et al., 1980) è M. concilii (Patel, 1984), è îäèí

òåðìîôèëüíûé M. thermoacetophila (Íîæåâíèêîâà è ×óäèíà,

1984). Ìåòàíîñàåòû ÿâëÿþòñÿ îïðåäåëÿþùåé ãðóïïîé ìåòà-

íîãåíîâ ïðè î÷èñòêå æèäêèõ îòõîäîâ, îíè ñïîñîáíû èñïîëü-

çîâàòü àöåòàò â î÷åíü íèçêèõ êîíöåíòðàöèÿõ è òåì ñàìûì

îáåñïå÷èâàþò ãëóáîêóþ î÷èñòêó ñòîêà. Ê òðåòüåé ïîäãðóï-

ïå ìîãóò áûòü îòíåñåíû ìåòàíîñàðöèíû, ñïîñîáíûå óòèëè-

çèðîâàòü âñå èçâåñòíûå ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè ìåòàíîãåííûå

ñóáñòðàòû, çà èñêëþ÷åíèåì ôîðìèàòà. Íàèáîëåå ïðåäïî÷òè-

òåëüíûì ñóáñòðàòîì äëÿ íèõ ÿâëÿåòñÿ ìåòàíîë, íàèìåíåå -

àöåòàò, ñðîäñòâî ê êîòîðîìó ó íèõ íà ïîðÿäîê íèæå, ÷åì ó

ìåòàíîñàåò.

Òàáëèöà 3.2.

Îñíîâíûå ðåàêöèè îáðàçîâàíèÿ ìåòàíà è èçìåíåíèå

ñâîáîäíîé ýíåðãèè.

3.2.Òðàíñôîðìàöèÿ îðãàíè÷åñêèõ è íåîðãàíè÷åñêèõ

ñîåäèíåíèé àçîòà

Ê îðãàíè÷åñêèì ñîåäèíåíèÿì àçîòà îòíîñÿò áåëêè, àìè-

íîêèñëîòû, ìî÷åâèíó. Â ñòî÷íûõ âîäàõ áåëêè ñîäåðæàòüñÿ â

çíà÷èòåëüíûõ êîíöåíòðàöèÿõ. Áåëêè ðàçëàãàþòñÿ õåìîîðãàíî-

ãåòåðîòðîôàìè è ñëóæàò äëÿ ýòèõ ìèêðîîðãàíèçìîâ èñòî÷íè-

êîì àçîòà è óãëåðîäà äëÿ áèîñèíòåçà êëåòî÷íîãî âåùåñòâà, à

òàêæå èñòî÷íèêîì ýíåðãèè. Ðàñùåïëåíèå áåëêîâ ìîæåò ïðîèñ-

õîäèòü â àýðîáíûõ è â àíàýðîáíûõ óñëîâèÿõ. Ðàçëîæåíèå áåë-

êîâ íà÷èíàåòñÿ âíå êëåòêè, ñ ãèäðîëèçà áåëêà (ïðîäóêò ãèäðî-

ëèçà – ïåïòîí).

Îñíîâíûå ðåàêöèè îáðàçîâàíèÿ ìåòàíà è

èçìåíåíèå ñâîáîäíîé ýíåðãèè

∆G

êÄæ/ìîëü

4Í

+ ÑÎ

→ ÑÍ

+ Í

-130,4 1

4ÑÍÑÎÎ

+ 4Í

→

ÑÍ

+ 2Í

Î + 3ÑÎ

-119 2

ÑÍ

ÑÎÎ

+ Í

→

ÑÍ

+ ÑÎ

-32,5 3

4ÑÍ

ÎÍ → 3ÑÍ

+ ÑÎ

+ 2Í

-103 4

4ÑÍ

NÍ

+ 2Í

Î → 3ÑÍ

+ ÑÎ

+ 2NÍ

-74 5

2(ÑÍ

)

NÍ

+ 2Í

→

3ÑÍ

+ ÑÎ

+ 2NÍ

-74 6

4(ÑÍ

)

NÍ

+ 6Í

→

9ÑÍ

+ 3ÑÎ

+ 4NÍ

-74 7

4ÑÎ

+ 2Í

→

ÑÍ

+ 3ÑÎ

-185,5 8

Ïðîöåññ ãèäðîëèçà óñêîðÿåòñÿ ïîä äåéñòâèåì ýêçîôåðìåòîâ. Ïåï-

òîí ïðîíèêàåò â êëåòêó, ãäå îêèñëÿåòñÿ äî ôðàãìåíòîâ àìèíîêèñ-

ëîò (èñïîëüçóåìûõ êëåòêîé â êà÷åñòâå «ñòðîèòåëüíûõ áëîêîâ»), äî

àììèàêà, óãëåêèñëîãî ãàçà è âîäû, âíóòðèêëåòî÷íûå ïðîöåññû

êàòàëèçèðóþòñÿ ýíäîôåðìåíòàìè. Áèîðàçëîæåíèå àìèíîêèñëîò äî

àììèàêà, âûâîäèìîãî âî âíåøíþþ, ñðåäó íàçûâàåòñÿ àììîíèôè-

êàöèåé (ïîëåçíî ïîìíèòü, ÷òî ïðè çíà÷åíèè ðÍ ìåíåå 9 â âîäå ïðå-

îáëàäàåò àçîò â ôîðìå àììîíèÿ). Òàêèì îáðàçîì, ïðè ðàçëîæå-

íèè áåëêîâ â ñèñòåìå íàáëþäàåòñÿ ïîâûøåíèå êîíöåíòðàöèè

àçîòà àììîíèéíîãî. Àçîò àììîíèéíûé íàêàïëèâàåòñÿ òàê æå

â î÷èùàåìîé âîäå â ðåçóëüòàòå ðàçëîæåíèÿ ìèêðîîðãàíèçìà-

ìè ìî÷åâèíû: ÑÎ(NÍ

)

(ïðîäóêòà ðàçëîæåíèÿ áåëêà â îðãàíèç-

ìå ÷åëîâåêà è æèâîòíûõ) ÑÎ(NÍ

)

NÍ

. Àçîò àììîíèéíûé, â

ñâîþ î÷åðåäü ÿâëÿåòñÿ ñóáñòðàòíûì êîìïîíåíòîì äëÿ àýðîá-

íûõ ìèêðîîðãàíèçìîâ - õåìîëèòîàâòîòðîôîâ, êîòîðûå â êà÷å-

ñòâå äîíîðà ïðîòîíîâ èñïîëüçóþò àçîò àììîíèéíûõ ñîëåé. Ïðî-

öåññ òðàíñôîðìàöèè àçîòà àììîíèéíîãî – íèòðèôèêàöèÿ, îñó-

ùåñòâëÿåòñÿ ìèêðîîðãàíèçìàìè íèòðèôèêàòîðàìè -

Nitrosomonas è Nitrobacter, ïåðâûå òðàíñôîðìèðóþò àçîò

àììîíèéíûé â àçîò íèòðèòíûé: NH

→ NO

, à âòîðûå â ïðî-

öåññå ñâîåãî ìåòàáîëèçìà ïåðåâîäÿò àçîò íèòðèòîâ â àçîò íèò-

ðàòîâ: NÎ

→ NO

. Äëÿ îñóùåñòâëåíèÿ ïðîöåññà íèòðèôèêà-

öèè íåîáõîäèìû ñëåäóþùèå óñëîâèÿ: íàëè÷èå àçîòà àììîíèé-

íîãî; íàëè÷èå ðàñòâîðåííîãî êèñëîðîäà (æåëàòåëüíî íå ìåíåå 2

ìã/äì

); íàëè÷èå ÑÎ

. Íèòðèôèêàöèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ïîñëå ïðî-

öåññà àììîíèôèêàöèè, êîòîðûé ïðèâîäèò ê íàêîïëåíèþ â ñèñ-

òåìå óãëåêèñëîãî ãàçà. Îïòèìàëüíûå óñëîâèÿ äëÿ íèòðèôèêà-

öèè: çíà÷åíèå ðÍ â èíòåðâàëå 7,5 – 8,5; òåìïåðàòóðû â èíòåðâà-

ëå - 20-25 °Ñ; íàãðóçêà íà èë â ñèñòåìå ïî îðãàíè÷åñêîìó âåùå-

ñòâó íå äîëæíà ïðåâûøàòü 0,05-0,2 êã ÁÏÊï/êã èëà (ïðè ïåðâîì

çíà÷åíèè ïðîòåêàåò ïîëíàÿ íèòðèôèêàöèÿ, ïðè âòîðîì ÷àñòè÷-

íàÿ).

Àçîò íèòðàòîâ â ïðîöåññå ñâîåãî ìåòàáîëèçìà èñïîëüçó-

þò ôàêóëüòàòèâíûå àíàýðîáû õåìîîðãàíîãåòåðîòðîôû - äåíèò-

ðèôèêàòîðû. Ïðîöåññ òðàíñôîðìàöèè àçîòà íèòðàòîâ â ãàçî-

îáðàçíûå ôîðìû àçîòà íàçûâàåòñÿ äåíèòðèôèêàöèåé. Äåíèòðè-

ôèêàöèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ñîãëàñíî óðàâíåíèþ ðåàêöèè:

→

→ NO → N

O → N

Äåíèòðèôèêàòîðû â êà÷åñòâå äîíîðîâ ýëåêòðîíîâ, ïðîòî-

íîâ èñïîëüçóþò îðãàíè÷åñêèå âåùåñòâà, à â êà÷åñòâå àêöåïòîðîâ

ñâÿçàííûé êèñëîðîä, òî åñòü êèñëîðîä, âõîäÿùèé â ñîñòàâ íèòðà-

òîâ, ïðè ýòîì êèñëîðîä ñâÿçûâàåòñÿ âîäîðîäîì ñ îáðàçîâàíèåì

âîäû, à àçîò ïåðåõîäèò â ãàçîîáðàçíûå ôîðìû è ïåðåðàñïðåäåëÿåò-

ñÿ ìåæäó âîäîé è àòìîñôåðîé â ñîîòâåòñòâèè ñ ïàðöèàëüíûì äàâ-

ëåíèåì àçîòà â âîçäóõå. Îñóùåñòâëåíèå ïðîöåññà äåíèòðèôèêà-

öèè âîçìîæíî òîëüêî ïðè äåôèöèòå êèñëîðîäà, òàê êàê äåíèòðè-

ôèêàòîðû, ÿâëÿÿñü ôàêóëüòàòèâíûìè àíàýðîáàìè, â ïðèñóòñòâèè

äîñòàòî÷íîãî êîëè÷åñòâà ðàñòâîðåííîãî êèñëîðîäà, èñïîëüçó-

þò åãî â êà÷åñòâå àêöåïòîðà ïðîòîíîâ, òî åñòü ïåðåêëþ÷àþòñÿ

íà äûõàíèå. Äëÿ îñóùåñòâëåíèÿ ïðîöåññà äåíèòðèôèêàöèè íå-

îáõîäèìû ñëåäóþùèå óñëîâèÿ: êîíöåíòðàöèÿ êèñëîðîäà íå áî-

ëåå 2 ìã/äì

; â ñèñòåìå äîëæíû ïðèñóòñòâîâàòü íèòðàòû; íàëè-

÷èå ëåãêî ðàçëàãàåìîé îðãàíèêè.

3.3. Òðàíñôîðìàöèÿ æèðîâ è äðóãèõ

óãëåâîäîðîäîâ

Ãèäðîëèç æèðîâ ïðîòåêàåò â àýðîáíûõ óñëîâèÿõ äî ãëèöå-

ðèíà è æèðíûõ êèñëîò, îñóùåñòâëÿåòñÿ âíå êëåòêè è óñêîðÿåò-

ñÿ ïîä äåéñòâèåì ñïåöèôè÷åñêèõ ýêçîôåðìåíòîâ. Ìèêðîîðãàíèç-

ìû èñïîëüçóþò æèðû â êà÷åñòâå óãëåðîäíîãî è ýíåðãåòè÷åñêî-

ãî ñóáñòðàòà.

ýêçîôåðìåíòû ýíäîôåðìåíòû

Æèðû → ãëèöåðèí + æèðíûå êèñëîòû →ÑÎ

+Í

Î+êëåòî÷-

íîå âåùåñòâî

Â àýðîáíûõ óñëîâèÿõ îêèñëåíèå æèðîâ ìèêðîîðãàíèçìà-

ìè âîçìîæíî íà 98%. Â àíàýðîáíûõ óñëîâèÿõ êðîìå ÑÎ

è Í

âî âíåøíþþ ñðåäó ïîñòóïàþò ïåðåãíîéíûå êèñëîòû. Êðîìå

áàêòåðèé æèðû àêòèâíî ðàçëàãàþòñÿ àêòèíîìåöåòàìè è ïëåñ-

íåâûìè ãðèáàìè. Ìèêðîîðãàíèçìû îêèñëÿþò è òàêèå ñëîæíûå

âåùåñòâà êàê ïàðàôèí, êàó÷óê, íåôòåïðîäóêòû è ïð. Áèîäåñò-

ðóêöèè íåôòåïðîäóêòû ïîäâåðãàþòñÿ â àýðîáíûõ óñëîâèÿõ,

ðàçëîæåíèå èäåò äî ÑÎ

è Í

Î, òàêæå â ñðåäå íàêàïëèâàþòñÿ

îðãàíè÷åñêèå êèñëîòû – ïðîäóêòû íåïîëíîãî ðàçëîæåíèÿ - âà-

ëåðüÿíîâàÿ, óêñóñíàÿ, ëèìîííàÿ è ïð. Ñèíòåòè÷åñêèå óãëåâîäî-

ðîäû î÷åíü òðóäíî ïîääàþòñÿ áèîäåñòðóêöèè è íàêàïëèâàþòñÿ,

çàãðÿçíÿÿ îêðóæàþùóþ ñðåäó.

Ðîñò ïðîäóöåíòîâ è èõ áèîëîãè÷åñêàÿ àêòèâíîñòü âî ìíî-

ãîì îïðåäåëÿåòñÿ ôàêòîðàìè ñðåäû. Ðîëü îñíîâíûõ ôàêòîðîâ è

ìåòîäû óïðàâëåíèÿ èìè ïðèâåäåíû â òàáë.3.3.

Таблица 3.3

Основные факторы среды, определяющие интенсивность

метаболизма микроорганизмов

Фактор Роль при культивировании

Методы управления фактором

Состав и

концен-

трация пи-

тательных

веществ

Обеспечивают метабо

лизм

химических реакций

Составление оптимальной

композиции; непрерывность

процесса, многостадийность с

учетом потребности продуцен-

та по фазам

Концентра-

ции продук-

тов и инги-

биторов

Замедление биохимиче-

ских процессов

Вывод продукта метаболизма.

Разбавление с целью снижения

концентрации ингибитора и др.

рН

Оптимизирует скорость

биохимических реакций

Регулирование путем добавле-

ния кислоты или щелочи

Температу-

ра

Оптимизирует скорость

биохимических реакций

Охлаждение или подогрев суб-

стратов

Осмотиче-

ское давле-

ние или

активность

среды

Определяет границы жиз-

ни

Составление сред с оптималь-

ной концентрацией питатель-

ных веществ, поддержи

вание

на постоян

ном уровне путем

разбавления или концентраци-

ей среды

Содержа

ние

рас-

творенного

кислорода

Для аэробов - обеспечива-

ет метаболизм, является

акцептором протонов, ин-

гибирует развитие анаэро-

бов

Регулируют интенсивность

аэрации, анаэробные процессы

реализуют в бескислородной

среде, что достигается продув-

кой углекислого газа или добав-

кой восстановителей

Содержание

диоксида

углерода

Источник углерода для

автотрофов, гетеротрофы

некоторые нуждаются, а

некоторые замедляют ме-

таболизм в присутствии

диоксида углерода

Продувание газовой средой,

обогащенной диоксидом угле-

рода, выделению способствует

перемешивание

Перемеши-

вание среды

Равномерное распределе-

ние питательных веществ

Механическое перемешивание,

барботаж, циркуляция, аэрация

Вязкость

среды

Определяет дифференциа-

цию питательных веществ

и перемешивание клеток

продуцента

Регулируется состав питатель-

ных веществ и концентрация

биомассы. Вязкость влияет на

перемешивание и аэрацию

Ðàçäåë 4. ÎÁÙÈÅ ÀÑÏÅÊÒÛ

ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÈß ÌÈÊÐÎÎÐÃÀÍÈÇÌÎÂ

Â ÏÐÎÖÅÑÑÅ ÀÝÐÎÁÍÎÉ È ÀÍÀÝÐÎÁÍÎÉ Î×ÈÑÒÊÈ

ÑÒÎ×ÍÛÕ ÂÎÄ

4.1. Îñíîâû ïðîöåññà áèîäåãðàäàöèè ïîëëþòàíòîâ

â áèîôèëüòðàõ

Íà ñåãîäíÿøíèé äåíü ñóùåñòâóþò ðàçëè÷íûå ñîîðóæåíèÿ,

â êîòîðûõ îñóùåñòâëÿåòñÿ áèîäåãðàäàöèÿ è òðàíñôîðìàöèÿ

îðãàíè÷åñêèõ è ìèíåðàëüíûõ âåùåñòâ â àýðîáíûõ èëè àíàýðîá-

íûõ óñëîâèÿõ. Ïî ñïîñîáó êîíòàêòà î÷èùàåìîé âîäû è êîëî-

íèé ìèêðîîðãàíèçìîâ ðàçëè÷àþò ñîîðóæåíèÿ ñ èììîáèëèçîâàí-

íîé (ïðèêðåïëåííîé) ìèêðîôëîðîé è ñâîáîäíîïëàâàþùåé. Â

íàñòîÿùåå âðåìÿ èçâåñòíî ìíîãî ìîäèôèêàöèé, ñîâìåùàþùèõ

â îäíîì ñîîðóæåíèè îáà ìåõàíèçìà. Áàçîâûìè âàðèàíòàìè ñî-

âðåìåííûõ ñîîðóæåíèé ÿâëÿþòñÿ êëàññè÷åñêèå áèîôèëüòðû,

àýðîòåíêè è àíàýðîáíûå áèîðåàêòîðû.

Àýðîáíàÿ áèîäåñòðóêöèÿ îðãàíè÷åñêèõ çàãðÿçíÿþùèõ âå-

ùåñòâ â áèîôèëüòðàõ îñóùåñòâëÿåòñÿ ïóòåì ôèëüòðîâàíèÿ ñòî÷-

íûõ âîä ÷åðåç çàãðóçî÷íûé ìàòåðèàë, íà íåì ïîñòåïåííî àäñîð-

áèðóþòñÿ îðãàíè÷åñêèå âåùåñòâà (ïîëëþòàíòû) è ìèêðîîðãà-

íèçìû íàõîäÿùèåñÿ â ñòî÷íîé âîäå. Îáðàçóåòñÿ òàê íàçûâàå-

ìûé áèîîðãàíîìèíåðàëüíûé êîìïëåêñ, â òåõíîëîãèè áèîî÷èñò-

êè ïîëó÷èâøèé íàçâàíèå - áèîïëåíêà. Îäèí êã áèîìàññû èìååò

ïîâåðõíîñòü îêîëî 4000 ì

. Èììîáèëèçîâàííûå (ïðèêðåïëåííûå)

ìèêðîîðãàíèçìû àäñîðáèðóþò ñóáñòðàò (ïèòàòåëüíûå âåùå-

ñòâà) èç ñòî÷íîé âîäû, îìûâàþùåé çàãðóçî÷íûé ìàòåðèàë. Â

ïðîöåññå îáìåíà âåùåñòâ îíè ñ ïîìîùüþ ýêçîôåðìåíòîâ óñêî-

ðÿþò ïðîöåññ ãèäðîëèçà ñëîæíûõ âåùåñòâ äî áîëåå ïðîñòûõ,

ìîëåêóëû êîòîðûõ èìåþò ðàçìåðû ìåíüøèå, ÷åì ðàçìåðû áàê-

òåðèé. Ïðîäóêòû ãèäðîëèçà äèôôóíäèðóþò â êëåòêó, ãäå ïîä

äåéñòâèåì ýíäîôåðìåíòîâ ïðîèñõîäèò èõ äàëüíåéøåå îêèñëåíèå

ñ öåëüþ ïîëó÷åíèÿ ýíåðãèè è áîëåå ïðîñòûõ ñîåäèíåíèé, èñïîëü-

çóåìûõ â êà÷åñòâå ñòðîèòåëüíûõ áëîêîâ êëåòî÷íîãî âåùåñòâà.

Ñîñòàâ ïðîäóêòîâ îêèñëåíèÿ çàâèñÿò îò ñîñòàâà ñóáñòðàòà è

âèäîâîãî ðàçíîîáðàçèÿ áàêòåðèé, îáðàçóþùèõ áèîïëåíêó, îáÿ-

çàòåëüíî ïðèñóòñòâóþò óãëåêèñëûé ãàç è âîäà, â ðàçëè÷íîì

êîëè÷åñòâå ìîãóò ïðèñóòñòâîâàòü ñóëüôàòû, ôîñôàòû, àçîò

àììîíèéíûé è íèòðàòíûé, à òàêæå ïðîäóêòû íåïîëíîãî ðàçëî-