4. Классификация методов очистки природных и сточных вод

См. также нижнюю часть таблицы классификации Кульского. (вопрос 1)

5. Основы биохимических методов очистки природных и сточных вод

Биологические (биохимические) методы очистки сточных вод основываются на естественных процессах жизнедеятельности гетеротрофных (гетеро – иное, в отличие от неорганического углерода, питание) микроорганизмов. Выделяют три свойства микроорганизмов, широко используемые для целей водоочистки:

1) способность потреблять в качестве источников питания органические (и некоторые неорганические) соединения для получения энергии и обеспечения своего функционирования;

2) свойство быстро размножаться – удвоение числа клеток за каждые 30 минут. Расчеты показывают, что за 5-7 дней 1 вид микроорганизмов может заполнить все моря и океаны (за сутки 2²⁴, за 5 суток ~2¹²⁰=2^10*121000¹²=10³⁶.);

3) способность образовывать колонии и скопления, которые сравнительно легко можно отделить от очищаемой воды.

Механизм изъятия из раствора и последующей диссимиляции субстрата носит многоступенчатый характер:

1) сорбционное изъятие и накопление изымаемого вещества на поверхности клетки;

2) перемещение через клеточную оболочку либо самого вещества, либо продуктов его гидролиза, либо гидрофобного комплекса;

3) метаболическая трансформация поступивших внутрь клетки питательных веществ.

Ранее считалось, что механизм переноса (2) – диффузионный. С началом метаболических превращений сорбционное равновесие нарушается, и за счет градиента концентраций обеспечивается дальнейшее поступление субстрата в клетку. В настоящее время полагают наличие гидрофильного «канала», через который внутрь клетки проходят гидрофильные субстраты. Может быть «эстафетная» передача молекул субстрата от одной функциональной группы к другой. Другая альтернативная модель – наличие гидрофобного мембранного переносчика, который путем конформационных изменений, вызываемых субстратом, проводит его на внутреннюю сторону мембраны (модель конформационной транслокации).

Т.о., происходит процесс «активного» транспорта, приводящего к повышению содержания питательных веществ в клетке против градиента концентраций. Необходимая энергия высвобождается в результате протекания в клетке метаболических процессов.

На третьем этапе в аэробных условиях происходят метаболические превращения субстрата частично в такие конечные продукты как СО₂, Н₂О, нитраты, сульфаты (процесс окисления органических веществ), частично в новые микробные клетки (процесс синтеза биомассы). В анаэробных условиях могут образовываться промежуточные продукты (спирты, глицерин, летучие жирные кислоты, бутанол, ацетон, водород), а также такие продукты как СН₄, NH₃, H₂S и новые клетки.

Рассмотрим процесс биохимического изъятия и оксиления органических соединений. Он основывается на двух положениям теории ферментативной кинетики: 1) фермент и субстрат вступают во взаимодействие друг с другом, образуя фермент-субстратный комплекс, который в результате одной или нескольких трансформаций приводит к появлению продуков, снижающих барьер активации катализируемой реакции за счет ее дробления на ряд промежуточных этапов, каждый из которых не встречает энергетических препятствий; 2) в конце процесса фермент выходит в неизменном виде и способен вступать во взаимодействие со следующей молекулой субстрата.

, (6)

где Е – фермент (энзим), S – субстрат, ES - фермент-субстратный комплекс.

Т.е. уже на этапе изъятия субстрата клетка взаимодействует с субстратом с образованием фермент-субстратного комплекса.

Промежуточное соединение ES подвергается дальнейшим ферментативным преобразованиям. В простейшем случае в результате трансформации комплекса образуется продукт реакции P и фермент E:

(7)

Чаще распаду комплекса предшествует его химическое преобразование (активирование), которое составляет еще одну (или несколько) промежуточную стадию (стадий), что выражается уравнением Михаэлиса-Ментен:

Ниже представлен пример извлечения из раствора глюкозы

Рис.2

Образовавшийся глюконолактонподвергается гидролизу с образованием глюконовой кислоты. Суммарно обе реакции можно выразить уравнением:

Пероксид водорода под действием фермента каталазы (или пероксидазы) расщепляется на воду и кислород, т.е.

Процессы биохимического окисления у гетеротрофных микроорганизмов делят на три группы в зависимости от того, что является конечным акцептором водородных атомов или электронов, отщепляемых от окисляемого субстрата. Если акцептор кислород – то процесс называется клеточным дыханием; если акцептор водорода – органическое вещество, то брожение; если акцептор водорода – неорганическое вещество (типа нитратов, сульфатов), то анаэробное дыхание.

Ферментативное анаэробное расщепление белков и аминокислот – гниение.

Представляют интерес основные закономерности колонии микроорганизмов, вводимой в контакт с жидкостью, содержащей питательные вещества при достаточном обеспечении ее растворенным кислородом. Можно выделить следующие фазы (рис.3):

I – лаг-фаза (фаза адаптации) - сразу после введения микробной культуры в контакт с питательной средой. Не происходит прироста биомассы. Длительность зависит от природы органических веществ, степени адаптации микроорганизмов к ним, от условий, в которые вносится биомасса.

II – фаза экспоненциального роста – избыток питательных веществ, отсутствие (недостаток) продуктов обмена.

III – фаза замедленного роста – истощение питательныъх веществ, накопление продуктов метаболизма.

IV – фаза нулевого роста (прекращения роста) – равновесие между наличием питательных веществ и накоплением биомассы.

V – фаза эндогенного дыхания (самоокисления) – из-за недостатка питания начинается отмирание и распад клеток, что приводит к снижению общего количества биомассы в биореакторе.

Рис.3. Зависимость прироста биомассы в аэробных условиях от концентрации питательных веществ

Аэробный процесс

В условиях аэробного метаболизма около 90% потребляемого кислорода используется на дыхательный путь получения энергии клетками микроорганизмов (процесс называется клеточным дыханием, если акцептором водородных атомов или электронов, отщепляемых от окисляемого субстрата, является кислород).

Аэробный процесс окисления является наиболее полным, т.к. его продукты – вещества, не способные к дальнейшему разложению в микробной клетке и не содержащие запаса энергии, которая могла бы быть высвобождена обычными химическими реакциями. Главные из этих веществ – диоксид углерода (СО₂) и вода (Н₂О). Несмотря на то, что оба эти вещества содержат кислород, химический путь их образования в клетке может быть различным. Углекислый газ может получаться в результате биохимических процессов, протекающих в бескислородной среде под действием ферментов декарбоксилаз, которые отщепляют СО₂ от карбоксильной группы (СООН) кислоты. Вода образуется в результате жизнедеятельности клеток путем соединения кислорода воздуха с водородом тех органических веществ, от которых он отщепляется в процессе их окисления.

Упрощенно весь процесс распада органических веществ в ходе аэробных превращений может быть представлен схемой, приведенной на рис.4.

Таким образом, в аэробном процессе липиды (в присутствии бактерий и грибов) подвергаются гидролизу с образованием глицерина и жирных кислот, затем происходит их биохимическая деструкция до предельных карбоновых кислот (муравьиной, уксусной, пропионовой, масляной), а впоследствии, до углекислого газа и воды. Углеводы под действием микроорганизмов разлагаются до глюкозы, которая затем окисляется. Белки под влиянием микроорганизмов и экзоферментов гидролизуются с образованием полипептидов, расщепляющихся до аминокислот, которые в присутствии микроорганизмов–аммонификаторов разлагаются с образованием аммиака, СО₂ и воды. Если в белковых соединениях присутствует сера, то при разложении могут образоваться тиоспирты (меркаптаны) и сульфат-ионы. Фосфор органических соединений (входящий в состав клеточных мембран, нуклеиновых кислот) окисляется до минеральных фосфатов и, взаимодействуя с ионами металлов (Ca²⁺, Mg²⁺ и др.), осаждается.

Рис.4. Схема трехстадийного аэробного распада биоорганических веществ

Анаэробное разложение

На рис.5 представлена упрощенная схема анаэробного сбраживания биоорганических соединений.

Стадия ферментативного гидролиза осуществляется быстрорастущими факультативными анаэробами, выделяющими экзоферменты, при участии которых осуществляется гидролиз нерастворенных сложных биоорганических соединений с образованием более простых растворенных веществ. Оптимальное значение pH для развития этой группы бактерий находится в интервале 6,5-7,5.

Стадия кислотообразования (ацидогенная) сопровождается выделением летучих жирных кислот, аминокислот, спиртов, а также водорода и углекислого газа. Стадия осуществляется быстрорастущими, весьма устойчивыми к неблагоприятным условиям гетерогенными бактериями.

Ацетогенная стадия превращения летучих жирных кислот (ЛЖК), аминокислот и спиртов в уксусную кислоту осуществляется двумя группами ацетогенных бактерий. Первая группа, образующая ацетаты с выделением водорода из продуктов предшествующих стадий, называется ацетогенами, образующими водород: CH₃CH₂COOH + 2H₂O  CH₃COOH + CO₂ + 3H₂

Вторая группа, также образующая ацетаты и использующая водород для восстановления диоксида углерода, называется ацетогенами, использующими водород: 4H₂ + 2CO₂  CH₃COOH + 2H₂O

Рис.5. Схема анаэробного метанового сбраживания сложных биоорганических соединений I – гидролиз; II – кислотогенез (ацидогенез); III – ацетогенез; IV – метаногенез. 1 – ферментативные кислотогены; 2 – ацетогены, образующие H2, 3 – ацетогены, использующие H2; 4 – метаногены, восстанавливающие CO2; 5 – метаногены, использующие ацетат.

Метаногенная стадия, осуществляемая медленнорастущими бактериями, являющимися строгими анаэробами, весьма чувствительными к изменениям условий среды, особенно к снижению pH менее 7,0-7,5 и температуры. Разные группы метаногенов образуют метан двумя путями:

- расщеплением ацетата: CH₃COOH  СH₄ + 2CO₂

- восстановлением диоксида углерода: CO₂ + H₂  CH₄ + H₂O

По первому пути образуется 72% метана, по второму 28%. Таким образом, анаэробное разложение органических веществ осуществляется сообществом микроорганизмов, составляющих трофическую цепь первичных и вторичных анаэробов, причем продукты метаболизма одних групп бактерий используются другими. Первичные факультативные анаэробы осуществляют стадии гидролиза и кислотообразования, вторичные – стадии ацетогенеза и метаногенеза из субстратов, образующихся первичными анаэробами.