Биохимический метод применяется для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитритов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в ходе своей жизнедеятельности – органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.

Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризуются:

· биохимической потребностюь в кислороде (БПК), или количеством кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ (не включая процессы нитрификации) за определенный промежуток времени (2, 5, 8, 10, 20 суток), в миллиграммах кислорода на 1 мг вещества. Например: БПК₅ – биохимическая потребность в кислороде за 5 суток, БПК_п – полная биохимическая потребность в кислороде до начала процессов нитрификации;

· химической потребностью в кислороде (ХПК), т.е. количеством кислорода, эквивалентным количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде в миллиграммах кислорода на 1 мг вещества.

Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, двуокись углерода, нитрит- и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением. Некоторые органические вещества способны легко окисляться, а некоторые не окисляются совсем или окисляются очень медленно.

Для определения возможности очистки промышленных сточных вод на биохимических очистных сооружениях устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, которые не влияют на процессы биохимического окисления (МК_б) и на работу очистных сооружений (МК_б.о.с). При отсутствии таких данных возможность биохимического окисления устанавливают по отношению БПК_полн и ХПК. При отношении (БПК_полн / ХПК) 100 ≥ 50 % вещества поддаются биохимическому окислению. При этом необходимо, чтобы сточные воды не содержали ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов.

Для неорганических веществ, которые практически не поддаются биохимическому окислению, устанавливаются также максимальные концентрации. Если такие концентрации превышены, воды нельзя подвергать биохимической очистке.

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод. Аэробный метод основан на использовании аэробных групп микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20…40 °С. При изменении кислородного и температурного режимов состав и число микроорганизмов меняется. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке. Анаэробные методы биохимической очистки протекают без доступа кислорода; их используют главным образом для обезвреживания осадков или переработки сточных вод с высокой концентрацией органических веществ (сельхозпредприятий, заводов переработки органического сырья и т.п.).

Состав активного ила и биопленки

Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Живые организмы в активном иле представлены скоплениями бактерий, простейшими организмами, одиночными бактериями, червями, плесневыми грибами, дрожжами, актиномицетами и редко водорослями, личинками насекомых, рачков и др. Биоценоз активного ила в основном представлен 12-ю видами микроорганизмов и простейших.

Скопления бактерий в активном иле окружены слизистым слоем (капсулами). Такие скопления называются зооглеями. Зооглеи способствуют улучшению структуры ила, его осаждению и уплотнению. Слизистые вещества содержат антибиотики, способные подавлять ниточные бактерии. Соотношение капсульных и бескапсульных штаммов называют коэффициентом зооглейности. Бактерии, лишенные слизистого слоя, с меньшей скоростью окисляют загрязнения.

Активный ил представляет собой амфотерный коллоид, имеющий при рН = 4…9 отрицательный заряд. Несмотря на существенные различия сточных вод, элементный химический состав активных илов достаточно близок.

Сухое вещество активного ила содержит 70…90 % органических и 30…10 % неорганических веществ. Субстрат сухого вещества в активном иле может быть до 40 %, представляет собой твердую отмершую часть остатков водорослей и различных водных организмов. Он служит для прикрепления организмов активного ила.

В активном иле находятся микроорганизмы различных групп. Возникновение таких групп зависит от состава сточных вод, содержания в них кислорода, температуры, реакции среды, содержания солей, окислительно-восстановительного потенциала и других факторов. По экологическим группам микроорганизмы делятся на аэробов и анаэробов, термофилов и мезофилов, галофилов и галофобов. При очистке промышленных сточных вод преобладают аэробные микробы.

В активных илах встречаются представители четырех видов простейших организмов: саркодовые, жгутиковые, реснитчатые и сосущие инфузории. Простейшие не принимают непосредственного участия в разрушении органических загрязнений, но поглощают большое число бактерий (одна инфузория пропускает через свой организм от 2,0 до 40 тысяч бактерий), поддерживая их оптимальное содержание в иле. Они способствуют осаждению ила и осветлению сточных вод. Коловратки – микроскопические организмы длиной 0,01…2,5 мм, существуют только при наличии в сточной воде кислорода. Они питаются бактериями и простейшими.

В активном иле в определенных соотношениях содержатся все названные группы бактерий, но в зависимости от состава сточных вод преобладает одна из групп, а остальные ей сопутствуют. Только основная группа бактерий участвует в процессе очистки сточных вод, а сопутствующие группы микробов подготавливают среду для

существования микроорганизмов этой основной группы, обеспечивая ее питательными и ростовыми веществами и утилизируя продукты окисления. Биомасса основной физиологической группы бактерий, ведущих процесс окисления, составляет в илах 80…90 %, а остальное – биомасса сопутствующих бактерий и других организмов.

При образовании активного ила сначала появляются бактерии, затем простейшие. Бактерии выделяют вещества, стимулирующие размножение простейших. Они способны склеиваться и поэтому активный ил представляет собой буровато-желтоватые комочки и хлопья размером 3…150 мкм. Хлопья обладают поверхностью около 1200 м² на 1 м³ ила (100 м² на 1 г сухого вещества). В 1 м³ активного ила содержится 2∙10¹⁴ бактерий.

Качество ила определяется скоростью его осаждения и степенью очистки очищаемой жидкости. Крупные хлопья оседают быстрее, чем мелкие. Состояние ила характеризует иловый индекс, который представляет собой отношение объема осаждаемой части активного ила к массе высушенного осадка (в граммах) после отстаивания в течение 30 мин. Чем хуже оседает ил, тем более высокий иловый индекс он имеет.

Биопленка растет на наполнителе биофильтра, она имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1…3 мм и более, цвет ее меняется с изменением состава сточных вод от серовато-желтого до темно-коричневого.

Биопленка состоит из бактерий, грибов, дрожжей и других организмов. В ней встречаются более разнообразные представители простейших, коловраток, червей, чем в активном иле. Личинки комаров и мух, черви и клещи поедают активный ил и биопленку, вызывая их рыхление. Это способствует процессу очистки. Число микроорганизмов в биопленке меньше, чем в активном иле. В 1 м³ биопленки содержится 1∙10¹² бактерий.

Основную роль в очистке сточных вод играют процессы превращения вещества, протекающие внутри клеток микроорганизмов. Эти процессы заканчиваются окислением вещества с выделением энергии и синтезом новых веществ с затратой энергии.

Внутри клеток микроорганизмов происходит непрерывный и очень сложный комплекс химических превращений. В строгой последовательности с высокой скоростью протекает большое число реакций. Скорость реакций и их последовательность зависят от вида и содержания ферментов, которые исполняют роль катализаторов. Ферменты ускоряют только те реакции, которые протекают самопроизвольно, но с очень малой скоростью.

Ферменты (или энзимы) представляют собой сложные белковые соединения с молекулярной массой, достигающей сотен тысяч и миллионов единиц. По строению молекулы ферменты подразделяются на одно- и двухкомпонентные. Первые из них являются простыми белками – протеинами, вторые – сложными белками протеидами, молекула которых состоит из двух частей: первая часть – белковая, называется носителем или апоферментом, вторая – небелковая, называется коферментом. Каталитической активностью обладает кофермент, а белковый носитель увеличивает его активность.

Каталитические реакции протекают на поверхности молекул ферментов, где возникают активные центры. По сравнению с химическими катализаторами ферменты способны действовать в более «мягких условиях», т.е. при невысоких температурах, нормальном давлении и реакции среды, близкой к нейтральной. Другой особенностью ферментов является то, что каждый из них действует только с определенным химическим соединением и катализирует одно из многих превращений, которым

подвергается данное химическое соединение. При изменении состава и концентрации веществ меняется и состав ферментов.

Таким образом, каждую реакцию катализирует один соответствующий фермент. При этом продукт одной реакции служит субстратом для следующей реакции. Все это является существенным отличием ферментного катализа от химического.

Скорость биохимических реакций определяется активностью ферментов. Активность ферментов зависит от температуры, рН и присутствия в сточной воде различных веществ. С повышением температуры скорость ферментативных процессов повышается, но до определенного предела. Для каждого фермента имеется оптимальная температура, выше которой скорость реакции падает.

Клетки каждого вида микробов имеют определенный набор ферментов. Некоторые из них независимо от субстрата постоянно присутствуют в клетках микроорганизмов. Такие ферменты называются конститутивными. Другие ферменты синтезируются в клетках вследствие каких-либо изменений в окружающей среде, например изменения состава или концентрации загрязнений сточных вод. Эти ферменты появляются в период приспособления микроорганизмов к изменению среды, поэтому называются адаптивными. Сроки адаптации (приспособления) различны и продолжаются от нескольких часов до десятков и сотен дней.

Если в сточных водах находится несколько веществ, то процесс окисления будет зависеть от содержания и структуры всех растворенных органических веществ. В первую очередь, будут окисляться те вещества, которые необходимы для создания клеточного материала, для получения энергии. Другие вещества потребляются микроорганизмами в зависимости от набора ферментов с равными или разными скоростями окисления одновременно или последовательно. Порядок окисления вещества будет сказываться на продолжительности очистки сточных вод. При последовательном окислении веществ продолжительность очистки будет определяться суммой длительности окисления каждого вещества в отдельности. Для разрушения сложной смеси органических веществ необходимо 80…100 различных ферментов.

Внутри клетки химические соединения подвергаются различным анаболическим и катаболическим превращениям. Анаболические превращения приводят к синтезу новых клеточных компонентов, а катаболические являются источниками необходимой для клетки энергии.

Прирост биомассы

В процессе очистки сточных вод происходит прирост биомассы, который зависит от химической природы загрязнений, вида и возраста микроорганизмов, БПК и ХПК, от концентрации фосфора и азота в сточной воде, от ее температуры. Прирост биомассы зависит также от скорости размножения микроорганизмов и имеет сложную зависимость от времени.

При условии непрерывного поступления свежего субстрата и вывода продуктов разложения веществ возможно поддерживать высокую скорость размножения микробов и проводить непрерывный процесс очистки сточных вод. Для этого необходимо, чтобы концентрация питательных веществ и продуктов распада поддерживалась на определенном и постоянном уровне.

Скорость окисления зависит от концентрации органических веществ, равномерности поступления сточной воды на очистку и от содержания в ней примесей. При заданной степени очистки основными факторами, влияющими на скорость биохимических реакций, являются концентрация потока, содержание кислорода в сточной воде, температура и рН среды, содержание биогенных элементов, а также тяжелых металлов и минеральных солей.

Турбулизация сточных вод в очистных сооружениях способствует распаду хлопьев активного ила на более мелкие и увеличивает скорость поступления

питательных веществ и кислорода к микроорганизмам и, таким образом, приводит к повышению скорости очистки. Интенсивность перемешивания зависит от количества подаваемого воздуха. Турбулизация потока достигается интенсивным перемешиванием, при котором активный ил находится во взвешенном состоянии, что обеспечивает равномерное распределение его в сточной воде.

Доза активного ила зависит от илового индекса. Чем меньше иловый индекс, тем большую дозу активного ила необходимо подавать на очистные сооружения. Рекомендуется поддерживать следующие соотношения:

Иловый индекс, мг/л Доза ила, г/л

50 6

80 4,3

120 3

150 2,5

200 2

250 1,5

300 1

Для очистки следует применять свежий активный ил, который хорошо оседает и более устойчив к колебаниям температуры и рН среды.

Установлено, что с повышением температуры сточной воды скорость биохимической реакции возрастает. На практике ее поддерживают в пределах 20…30 °С. Превышение указанной температуры может привести к гибели микроорганизмов. При низких температурах сточных вод снижается скорость очистки, замедляется процесс акклиматизации микробов к новым видам загрязнений, ухудшаются процессы нитрификации, флокуляции и осаждения активного ила.

Повышение температуры в оптимальных пределах ускоряет процесс разложения органических веществ в 2…3 раза. С увеличением температуры сточной воды уменьшается растворимость кислорода, поэтому для поддержания необходимой концентрации его в воде требуется производить более интенсивную аэрацию.

Активный ил способен сорбировать соли тяжелых металлов. При этом снижается биохимическая активность ила и происходит вспухание его из-за интенсивного развития нитчатых форм бактерий. По степени токсичности тяжелые металлы можно расположить в следующем порядке:

Sb > Ag > Cu > Hg > Co ≥ Ni ≥ Pb > Cr³⁺ > V ≥ Cd > Zn > Fe.

Соли этих металлов снижают скорость очистки. Допустимая концентрация токсичных веществ, при которой возможно биологическое окисление, зависит от природы этих веществ. В тех случаях, когда сточные воды содержат несколько видов токсичных веществ, расчет очистных сооружений ведут по наиболее сильнодействующим из них.

Отрицательное влияние на скорость очистки может оказать и повышение содержания минеральных веществ, находящихся в сточной воде, выше максимально допустимых концентраций.

Для окисления органических веществ микроорганизмам необходим кислород, но они могут использовать его только в растворенном в воде виде. Для насыщения сточной воды кислородом проводят процесс аэрации, разбивая воздушный поток на пузырьки, которые, по возможности, равномерно распределяют в сточной воде. Из пузырьков воздуха кислород абсорбируется водой, а затем переносится к микроорганизмам.

Для успешного протекания реакций биохимического окисления необходимо присутствие в сточных водах соединений биогенных элементов и микроэлементов:

N, S, Р, К, Mg, Ca, Na, Cl, Fe, Mn, Mo, Ni, Co, Zn, Сu.

Среди этих элементов основными являются N, P и К, которые при биохимической очистке должны присутствовать в необходимых количествах. Остальные не нормируются, так как их содержание в сточных водах достаточно.

Недостаток азота тормозит окисление органических загрязнений и приводит к образованию труднооседающего ила. Недостаток фосфора приводит к развитию нитчатых бактерий, что является основной причиной вспуханий активного ила, плохого

оседания выноса его из очистных сооружений, замедленного роста ила снижения интенсивности окисления. Биогенные элементы лучше всего усваиваются в форме соединений, в которой они находятся в микробных клетках. Азот – в форме NH₄⁺, а фосфор – в виде солей фосфорных кислот.

Содержание биогенных элементов зависит от состава сточных вод и должно устанавливаться экспериментально. Для ориентировочных подсчетов можно воспользоваться следующим соотношением:

БПК_полн : N : Р = 100 : 5 : 1.

Такое соотношение правильно применять только в течение первых трех суток. Большая продолжительность очистки приводит к низкому выходу активного ила и поэтому требуется меньше азота и фосфора. При продолжительности очистки 20 суток отношение следует поддерживать равным:

БПК_полн : N : Р = 200 : 5 : 1.

В интервале 3…20 суток отмечается линейная зависимость между БПК_полн : N и Р. Точная дозировка азота и фосфора может быть установлена на основе стехиометрических уравнений.

При нехватке азота, фосфора и калия в сточную воду вносят различные азотные, фосфорные и калийные удобрения. Эти элементы содержатся в бытовых сточных водах, поэтому при их совместной очистке с промышленными стоками добавлять биогенные элементы не надо.