Глубокая очистка городских сточных вод

В последние десятилетия научные исследования в области очистки сточных

вод проводились большей частью на высококонцентрированных сточных водах Сегодня, на первый план, выходит проблема интенсификации очистки городских сточных вод, проходящей по стандартной схеме: механическая, биологическая, обеззараживание. Оперативное управление технологическими процессами для интенсификации биологической очистки сточных вод может быть осуществлено только при использовании современной вычислительной техники. Одним из важнейших управляющих блоков является расчет технологических параметров системы для достижения заданных показателей очистки при изменении, по сравнению с проектными, характеристик поступающих сточных вод.

Традиционные сооружения биологической очистки (аэротенки) обеспечивают степень деструкции углеродсодержащих компонентов свыше 90%, однако при разложении в таких системах многокомпонентных смесей, трудноокисляемые вещества или азотные соединения удаляются лишь на 10-30%.

Процесс глубокой нитрификации городских сточных вод может осуществляться в сооружениях биологической очистки сточных вод при оптимальных условиях развития микроорганизмов. При распаде органических азотсодержащих веществ, в основном, белков, под воздействием аэробных микроорганизмов в сточных водах образуется аммонийный азот. В аэробных условиях продолжается микробиологическое окисление аммонийного азота в нитриты, а затем в нитраты.

Группу аммонифицирующих микроорганизмов, относящуюся к хемогетеротрофам, представляют рода Bacillus и Pseudomonas, семейство Enterobacteriaceae.В результате гидролиза белка под воздействием экзоферментов, образуются аминокислоты, используемые микроорганизмами в конструктивных и энергетических целях:

CN2H4O + Н2О => СО2 + 2NH3 + 55,2 кДж*моль-1

Нитрифицирующие микроорганизмы являются автотрофными, использующими для синтеза энергию, которая выделяется при окислении аммиака и углерод углекислого газа. Энергетические реакции автотрофов представляют собой последовательные процессы. Первая фаза нитрификации, окисления аммиака до нитритов, которую осуществляют микроорганизмы рода Nitrosomonas, состоит из ряда последовательных ступеней:

аммоний =>гидроксиламин =>гипонитрит =>нитрит.

Возбудитель второй фазы нитрификации - Nitrobacter, использующий для своего развития единственный субстрат. На Nitrobacter оказывает ингибирующее действие молекулы недиссоциированной азотистой кислоты в кислой среде. А в щелочной области его развитие ограничивается свободным аммиаком, который является регулирующим фактором в его метаболизме с бактериями Nitrosomonas. Следующая группа денитрифицирующих микроорганизмов использует кислород нитратов и нитритов в качестве акцептора водорода. Микробиологическая денитрификация происходит с большей эффективностью в анаэробных условиях, когда органические вещества окисляются, а нитрат используется в виде акцептора водорода с выделением при этом газообразного азота. В ходе биологической очистки при изменении аэробных условий на анаэробные, микроорганизмы вынуждены менять тип дыхательных биохимических процессов, переходя от использования растворенного в воде кислорода к потреблению химически связанного в виде нитритов и нитратов, что снижает скорость биохимических процессов. Денитрификация осуществляется хемогетеротрофными микроорганизмами родов Pseudomonas, Achromobacter, Micrococcus, Bacillus и др. Некоторые денитрификаторы способны к нитрат-нитритному дыханию, при котором происходит восстановление нитрата до нитрита или далее до аммиака без образования АТФ. Денитрификация происходит согласно такой схеме:

Нитраты не просто заменяют кислород, в этом случае происходит образование специальных типов цитохромов и связанных с мембранами ферментных систем, которые восстанавливают нитрат до нитрита и далее до молекулярного азота.

Свободноживущие азотфиксаторы могут быть представлены в сточных водах как анаэробными микроорганизмами рода Clostridium, так и факультативными аэробами родов Azotobacter, Bacillus, Mycobacterium. Эта группа микроорганизмов 8в качестве ферментной системы для восстановления N2 до аммиака, использует нитрогеназу. Образование аммиака происходит по следующей схеме:

N2 + 3Н2 нитрогеназа => 2NН3, Н = -91,2кДж.

Таким образом, азоттрансформирующие микроорганизмы, осуществляющие полный круговорот азота в экологическом пространстве сооружений биологической очистки являются, в основном, бактериями-симбиотантами и имеют различные метаболические пути развития.