Биохимические основы методов биологической очистки

Биологические методы очистки сточных вод основываются на естественных процессах жизнедеятельности гетеротрофных микроорганизмов. Микроорганизмы, как известно, обладают целым рядом особых свойств, из которых выделяют три основных, широко используемых для целей очистки:

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;

3) способность образовывать колонии и скопления, которые сравнительно легко можно отделить от очищенной воды после завершения процессов изъятия содержавшихся в ней загрязнений.

Процесс очистки осуществляется микроорганизмами, закрепленными на поверхности загрузки, а также взвешенной микробной массой (активный ил). Основные группы микроорганизмов, участвующие в биологической очистке, – автотрофные и гетеротрофные виды бактерий.

Гетеротрофные бактерии окисляют органические азотосодержащие компоненты, превращая их в простые неорганические соединения, главными из которых являются вода, углекислый газ (диоксид углерода) и аммиак. Этот первый этап биологической очистки носит название «аммонификация» (минерализация). Скорость аммонификации зависит в основном от температуры и содержания кислорода в воде.

После того как органические соединения переведены гетеротрофными бактериями в неорганическую форму, биологическая очистка вступает в следующую стадию, получившую название «нитрификация». Под этим процессом понимают биологическое окисление аммония до нитритов и нитратов. На практике нитрификацию осуществляет очень ограниченная группа автотрофных микроорганизмов.

Процесс нитрификации приводит к окислению неорганического азота. Одновременно идет процесс восстановления неорганического азота – денитрификация. В процессе денитрификации происходит переход азота из нитратов в газообразное состояние. Если одновременно с нитритами в среде присутствуют аммонийные соли или аминокислоты, то свободный азот выделяется за счет их химического взаимодействия (косвенная денитрификация), когда при прямой денитрификации восстановление нитратов идет до свободного азота. Таким образом, денитрификация в отличие от минерализации и нитрификации уменьшает количество неорганического вещества.

В живой микробиальной клетке непрерывно и одновременно протекают два процесса – распад молекул и их синтез, составляющие в целом процесс обмена веществ – метаболизм. Иными словами, процессы деструкции потребляемых микроорганизмами органических соединений неразрывно связаны с процессами биосинтеза новых микробиальных клеток, различных промежуточных или конечных продуктов, на проведение которых расходуется энергия, получаемая микробиальной клеткой в результате потребления питательных веществ.

Источником питания для гетеротрофных микроорганизмов являются: углеводы, жиры, белки, спирты, которые могут расщепляться ими в аэробных или в анаэробных условиях. Значительная часть продуктов микробной трансформации может выделяться клеткой в окружающую среду или накапливаться в ней. Весь цикл взаимоотношений клетки с окружающей средой в процессе изъятия из нее и трансформации питательных веществ определяется и регулируется соответствующими ферментами. Общее содержание ферментов в клетке достигает 40–60 % от общего содержания в ней белка. По характеру реакций катализирующих окислительные и восстановительные процессы ферменты делятся на шесть классов. Поскольку микробиальная клетка потребляет только растворенные органические вещества, то проникновение в клетку таких нерастворимых в воде веществ, как крахмал, белки, целлюлоза, возможно лишь после соответствующей подготовки, для чего клетка выпускает в окружающую жидкость необходимые ферменты для гидролитического их расщепления на более простые субъединицы.

Процессы биохимического окисления у гетеротрофных организмов делят на три группы в зависимости от того, что является конечным продуктом этого процесса окисления. Если акцептором является кислород, то процесс называют клеточным дыханием. Если акцептор водорода – органическое вещество, то процесс носит название брожения. Если конечный продукт – неорганическое вещество типа нитратов, сульфатов и т. д., то процесс называют аэробным. Наиболее полным процессом биохимического окисления является аэробный процесс, так как его продукты (вещества) не способны к дальнейшему разложению в микробиальной клетке и не содержащей запаса энергии, которая могла быть высвобождена обычными химическими реакциями. Главные вещества, получаемые в ходе химических реакций, – диоксид углерода (CO₂) и вода (H₂O).

При очистке сточных вод, содержащих смесь разнообразных по химическому составу загрязнений, которые иногда даже очень трудно идентифицировать аналитическими методами, биомасса, осуществляющая очистку, также представляет собой сообщество различных видов микроорганизмов и простейших со сложными между ними отношениями. Как видовой, так и количественный состав биомассы очистных сооружений будет зависеть от конкретного метода биологической очистки и условий его реализации.