Биологическая очистка бытовых сточных вод

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА БЫТОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД

Микробиологические основы биологической очистки сточных вод

В основе биологической очистки сточных вод лежит жизнедеятельность природных микроорганизмов-минерализаторов, которые в качестве источника питания используют загрязнения сточных вод. К этой группе микроорганизмов относятся растения и животные очень малых размеров, невидимые невооруженным глазом. Однако деление их на растения и животных не всегда может быть четким и определенным. Многие специалисты выделяют и третью, особую, категорию микроорганизмов-протистов. Из растений к протистам относятся водоросли, грибы, дрожжи, бактерии, из животных - простейшие. Водоросли, грибы, дрожжи, бактерии принято называть микрофлорой, а животные микроорганизмы - микрофауной.

Большинство организмов, населяющих Землю, имеет клеточное строение. Клетка представляет собой основу их строения. У высших организмов клетки ориентированы на выполнение отдельных функций, у одноклеточных организмов все жизненные функции выполняют их структурные элементы - органоиды.

В строении растительных, животных и бактериальных клеток много общего. Наибольший практический интерес для биологической очистки сточных вод представляет бактериальная клетка (рис.1). Основными ее элементами являются клеточная оболочка, цитоплазматическая мембрана, цитоплазма, ядерное вещество. Клеточная оболочка  защищает организм от неблагоприятных воздействий внешней среды. Мембрана обладает избирательной способностью, т.е. пропускает внутрь клеток и отводит из нее только определенные вещества. Наряду с этим цитоплазматическая мембрана обеспечивает повышение по сравнению с окружающей средой осмотического давления внутри клетки. Цитоплазма ("живое вещество") представляет собой коллоидную систему, производящую с участием рибонуклеиновой кислоты (РНК) синтез белков, а также полисахариды и азотные соединения. Ядерное вещество включает в себя рибосомы, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), которая осуществляет контроль за синтезом белка и является носителем наследственности.

Рис.1. Схема устройства бактериальной клетки:

1 - клеточная оболочка;  

2 - цитоплазматическая мембрана;

3 - цитоплазма;

4 - ядерное  вещество

Основными химическими элементами, входящими в состав клетки (до 98% массы), являются кислород, углерод, водород и азот. В живых клетках имеется до 98% воды, поэтому содержание кислорода составляет 65-75%. В высушенных клетках соотношение элементов меняется, кислорода остается лишь 35-36%. Углерода в таком веществе содержится 45-50%, азота - 6-14%, водорода - 6-8%. Кроме четырех основных элементов в клетках обязательно присутствуют кальций, фосфор, сера, натрий, железо, хлор (2-3% массы клетки), а также до 60 других элементов в макроколичествах. Клеточное вещество содержит неорганическую часть, состоящую из воды (75-90%) и минеральных солей (5-10%), и органическую часть, включающую белки (8-14%), жиры (до 50%), углеводы (12-18%), нуклеиновые кислоты (3-4%) и др.

В клетке происходит непрерывный сложный комплекс химических превращений - обмен веществ. Часть обмена веществ, которая состоит в поглощении и усвоении питательных веществ, называется процессом питания клетки. Другую часть обмена, заключающуюся в разложении и окислении питательных веществ в организме, называют процессом дыхания клетки. В результате процесса дыхания высвобождается энергия из питательных веществ, которая расходуется затем на синтез нового клеточного вещества, рост и движение клетки, выделяется в виде тепла.

Потребность в кислороде и водороде микроорганизмы удовлетворяют в основном за счет растворенного воздуха и воды. Азот они получают из неорганических аммонийных соединений, нитритов и нитратов, а также из таких органических веществ, как мочевина, аминокислоты, белок, входящих в состав бытовых сточных вод.

В зависимости от используемых источников углерода микроорганизмы делятся на две группы: автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы поглощают растворенную углекислоту (из воздуха) и растворенные в воде карбонаты. Гетеротрофы усваивают углерод из органических соединений, входящих в состав загрязнений сточных вод. Имеются и промежуточные гетеротрофы, обладающие способностью использовать оба механизма усвоения углерода. Гетеротрофы, в свою очередь, делятся на сапрофиты и паразиты. Сапрофиты используют неживую органику, паразиты развиваются лишь на живых организмах.

В биологической очистке сточных вод основную роль играют бактерии-гетеротрофы.

Все процессы превращения веществ в клетках протекают с участием ферментов - специальных органических катализаторов. Они синтезируются самой бактериальной клеткой. В настоящее время выявлено около 800 различных ферментов.

По месту действия ферменты делятся на внутриклеточные (эндоферменты) и внеклеточные (экзоферменты), предназначенные для использования за ее пределами. К числу последних принадлежат гидролитические ферменты (дегидрогеназы). Поскольку микроорганизмы усваивают вещества из водных растворов, все твердые вещества, а также молекулы больших размеров, сложного строения предварительно превращаются ферментами в простые низкомолекулярные соединения. Так, углеводы сначала переводятся в сахар, белки - в аминокислоты, жиры - в жирные кислоты и глицерин.

Сущность процессов дыхания микроорганизмов заключается в том, что ферменты отнимают водород от окисляемых органических загрязнений сточных вод и передают какому-либо ' приемнику - акцептору. Если акцептором водорода является молекулярный кислород, то микроорганизмы имеют аэробный тип дыхания и называются аэробами. Если акцептором водорода служат молекулы распадающегося органического вещества, то микроорганизмы имеют анаэробный тип дыхания, именуемый брожением.

Аэробное окисление в основном используется на сооружениях биологической очистки сточных вод. Анаэробный процесс (брожение) характерен для сооружений минерализации осадков сточных вод.     

Основную массу органических загрязнений сточных вод составляют углеродосодержащие и азотосодержащие вещества. К углеродосодержащим веществам относятся клетчатка, жиры, спирты. углеводороды, органические кислоты, к азотосодержащим - белки растительного и животного происхождения. Кроме них в сточных водах содержатся в незначительном количестве серо- и фосфорсодержащие соединения.

Процесс биологической минерализации органического вещества в аэробных условиях специфичен для каждого вида, многостадиен и сложен. Однако его принципиальная сущность (в начальных и конечных продуктах) может быть представлена упрощенной условной схемой на рис.2.