ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Хозяйственно-бытовые и промышленные сточные воды содержат растворенные органические и некоторые неорганические (сероводород, сульфиды, аммиак, нитриты и др.) вещества. Кроме твердого субстрата в воде и осадке (ил) находятся живые организмы, представляющие собой скопления бактерий, червей, плесневых грибов, дрожжей, личинок насекомых и др. Все они в процессе своей жизнедеятельности используют в качестве источника питания разнообразные вещества, содержащиеся в сточных водах.

Контактируя с органическими веществами, живые организмы разрушают их, превращая в воду, двуокись углерода, нитрит- и сульфат- ионы и др. Часть веществ идет на образование биомассы и восстановление распавшихся веществ клетки. Разрушение органичес-ких веществ называют биохимическим окислением.

Для обеспечения нормального процесса синтеза клеточного вещества у микронаселения и интенсификации механизмов биоокисле-ния загрязнений в среде должна быть обеспечена достаточная концент-рация всех основных элементов питания – органического углерода (БПК), азота, фосфора. Кроме основных элементов состава клетки (C, N, O, H) для ее построения требуется К, Са, Mg, S, Fe, Mn и др.

В сточных водах обычно присутствуют вещества способные легко окисляться, но некоторые из них не окисляются совсем или окисляются медленно, кроме того, имеет место недостаток основных элементов питания. В этих случаях все зависит от мощности адаптационных (приспособленческих) свойств биоценозов среды. Многие виды бактерий и других живых организмов способны индуцировать новые специфические ферментные (каталитические) системы, позволяющие расширить круг веществ, вовлекаемых в окислительные процессы.

Микроорганизмы, в частности бактерии, вирусы, дрожжи, плесе-ни, могут использовать питательные вещества только в виде относи-тельно небольших частиц и молекул в водной среде. Крупные частицы перерабатываются бактериями первоначально вне клетки. При этом бактери выделяют во внешнюю среду большое количество пищевари-тельных ферментов, где они контактируют с крупными частицами веществ до простых, небольших по размеру молекул.

Чтобы происходил процесс биохимического окисления, вещества должны попасть внутрь клеток микроорганизмов. К поверхности клее-ток вещества поступают из межклеточной среды за счет конвективной и молекулярной диффузии, а внутрь клеток - за счет диффузии через полупроницаемые цитоплазматические мембраны. Движущей силой является разность концентраций вещества в клетке и вне ее. Большая часть вещества попадает внутрь клеток при помощи специфического белка-переносчика. Образующийся растворимый комплекс «вещество–переносчик» диффундирует через мембрану в клетку, где распадается, а белок-переносчик снова повторяет цикл переноса. Внутри клетки все биологически важные вещества с помощью специфических ферментов, содержащихся в довольно крупных органелах клетки (лизосомах), расщепляются. Лизосомы участвуют во внутри- и внеклеточном переваривании пищи, в выделении негидролизованных остатков и др.

Различные бактерии и другие простейшие организмы неодинако-во относятся к наличию или отсутствию кислорода. По этому признаку они делятся на три группы: аэробы, анаэробы и факультативные анаэ-робы. Аэробы используют реакции биологического окисления с участи-ем свободного кислорода (дыхание), в результате которых органичес-кие вещества окисляются до углекислого газа и воды. Анаэробы полу-чают энергию при расщеплении органических соединений без участия свободного кислорода. Такой процесс называется брожением. При брожении, кроме углекислого газа, образуются различные соединения, такие как спирты, молочная, масляная и другие кислоты, ацетон. Факультативные анаэробы развиваются как в кислородной, так и в бескислородной среде.

Если процесс биохимического окисления происходит в аэробных условиях, то сумму имеющих место реакций можно представить в виде:

; (188)

C_xH_yO_zN + NH₂ + O₂ C₅H₇NO₂ + H₂O + CO₂ + ∆H; (189)

C₅H₇NO₂ + 5O₂ 5CO₂ + NH₃ + 2H₂O + ∆H; (190)

NH₃ + O₂ НNO₂ + O₂ НNO₃. (191)

Здесь C_xH_yO_zN обозначает органические вещества сточных вод, а C₅H₇NO₂ – среднестатистическое соотношение основных элементов продуцируемого клеточного вещества.

Реакции (189) и (190) обозначают биологический процесс очистки от исходных загрязнений состава C_xH_yO_zN. Первая реакция – окисление вещества на энергетические потребности клетки, вторая – на синтез биомассы состава C₅H₇NO₂. Затраты кислорода на эти две реакции соответствует БПК_полн сточной воды. Биохимическое потреб-ление кислорода (БПК) – кислородный эквивалент, степень загрязнен-ности органическими веществами, выражается массой О₂ (мг/л), потребленного микроорганизмами на весь цикл реакции (в течение 5 суток – БПК₅, 20 суток – БПК₂₀, БПК_полн ≈ БПК₂₀).

Если окисление проводится достаточно долго, то после использо-вания исходного органического вещества начинается процесс окисле-ния клеточного вещества бактерий (191).

Реакции (189) и (190) осуществляют гетеротрофы (бактерии, использующие органические вещества). Когда вода очищена и экзоген-ный (внешний) источник органического углерода исчерпан, наступают благоприятные условия для развития автотрофных культур (бактерии, использующие неорганический углерод). При наличии в воде достаточ-ной концентрации растворенного кислорода в среде развиваются авто-трофы – нитрификаторы, которые проводят биологическое окисление аммонийного азота до нитритного, а затем до нитратного (192).

Цикл превращения азота в процессе биохимического окисления в общем виде можно представить схемой:

БПК (С) + NH₃↑ + O₂ ® + CO₂ + H₂O. (193)

↓ О₂

NH₃ + CO₂ + H₂O

¯ O₂

NO₂ → NO₃

В этом случае белковый азот в результате аммонификации разлагается до аммонийного, который и используется в качестве источника азота. Под БПК здесь понимается наличие в воде источника углеродного питания клеток. Наиболее интенсивно азот используется в период так называемой логарифмической фазы роста клеток (рис. 14), а в период окисления клеток азот высвобождается вновь в виде аммиака (193). Выделившийся аммонийный азот может окисляться до нитритов и нитратов или повторно использоваться для нового цикла синтеза. Следовательно, для цикла превращений азота справедливы все реакции. Нитриты и нитраты, вступая в общий круговорот азота, могут выполнять две функции:

1) служить источником кислорода в анаэробных условиях;

2) быть источником азота, как например, при биосинтезе водорослей.

Азотосодержащие соединения разлагаются с выделением азота в виде аммиака. Серосодержащие вещества серные бактерии окисляют до серной кислоты и сульфатов. Наличие в одной среде азота, фосфора, калия и незначительного количества железа, магния, меди, цинка, бора, марганца и других веществ иногда интенсифицирует развитие серных и тионовых бактерий. Тионовые бактерии разлагают сероводород и другие вещества с конечным продуктом окисления в виде серной кислоты и сульфатов. Железобактерии развиваются в результате окис-ления солей двухвалентного железа до соединений трехвалентного железа. Существуют бактерии восстанавливающие Fe²⁺ до Fe³⁺ и окисляющие Mn²⁺ до Mn⁴⁺. Все же соли тяжелых металлов являются губительными для бактерий, хотя некоторые микроорганизмы отличаются устойчивостью и адаптируются к таким условиям.

В процессе биохимического окисления примесей микроорганиз-мами происходит прирост биомассы (количества микроорганизмов), который зависит от химической природы примесей, вида и возраста микроорганизмов, БПК и ХПК среды, концентрации фосфора и азота, температуры, от природной скорости размножения микроорганизмов и имеет сложную зависимость от времени. В общем виде процесс роста микроорганизмов в зависимости от времени показан на рис. 14.

В зависимости от скорости выделяют несколько фаз роста микроорганизмов. Фаза I – фаза приспособления (лагфаза), когда клетки увеличиваются в размерах, но число их не возрастает. Фаза II – фаза экспоненциального роста, когда клетки делятся с максимальной скоростью. Фаза III – фаза замедления роста, в ней наблюдается истощение питательных веществ. Фаза IV – фаза стационарного роста, численность микроорганизмов остается неизменной. Фаза V – фаза отмирания.

Наклон кривой (рис. 14) показывает мгновенную скорость роста, которая меняется в различные промежутки времени. Фаза II является периодом самого быстрого развития микроорганизмов. Питательных веществ достаточно и скорость роста не тормозится продуктами распада. Прирост биомассы происходит с постоянной скоростью по прямой линии. Тангенс угла наклона этой прямой обозначают m_макс и называют удельной экспоненциальной скоростью роста.

 

Рис. 14. Скорость роста микроорганизмов

 

Удельная скорость роста специфична для каждого вида микроорганизмов и среды. Зависимость ее от концентрации субстрата определяется уравнением Моно:

(193)

где [S] – равновесная концентрация субстрата; К_m – константа Михаэлиса-Ментен, характеризующая зависимость скорости фермента-тивной реакции от концентрации субстрата в стационарном состоянии процесса (размерность К_m – моль/л). Константа К_m всегда больше нуля, поэтому дробь в (193) меньше единицы и m_max не может быть достигнута. Только при S > К_m удельная скорость роста близка m_max.

Для приближенных расчетов прирост биомассы (Пр) можно оценить по формуле

Пр = k (ХПК – БПК). (194)

ХПК – химическое потребление кислорода – эквивалентно количеству окислителя О₂ (мг/л), необходимого для окисления всех восстановителей.

Коэффициент k, характеризующий качество среды обитания микроорганизмов, определяется экспериментально (обычно он нахо-дится в пределах 0,1–0,9).