Материал: Гончарук учебник

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Эффективность процессов биологической очистки сточных вод в традици­ онных сооружениях зависит от многих факторов:

1 ) от нагрузки по органическому веществу на микроорганизмы и объем соо­ ружения. Установлено, что микробная клетка приспособилась к активной жиз­ недеятельности в условиях, когда количество органических веществ в сточных водах находится в пределах 350—500 мг 02/л по БПК5. При большем количес­ тве органических веществ микробная клетка гибнет и процесс биохимической очистки тормозится. Минимальное количество органических веществ в сточ­ ных водах должно составлять не менее 90—100 мг 02/л по БПК5;

2)от соотношения ХПК к БПК2о сточной воды. Величина ХПК не должна превышать БПК20 более чем в 1,5 раза;

3)наличия биогенных элементов в сточной воде. Их оптимальное соотно­

шение (БПК20 : аммонийный азот : фосфаты) должно составлять соответственно 100 : 5 : 1. Минимальное количество азота аммонийного — в пределах 15 мг/л, фосфатов — 3 мг/л;

4)количества минеральных солей в сточной воде. Минерализация сточных вод не должна превышать 10 г/л;

5)температуры водной среды, которая должна быть не ниже 7 °С и не вы­ ше 30 °С. Вне указанного интервала температур биохимические процессы пре­ кращаются;

6)водородного показателя среды. pH сточных вод для эффективного тече­ ния биохимических процессов должна составлять 6,5—8,5;

7)наличия кислорода. На 1 м3 сточных вод необходимо подавать 25 м3 воз­ духа с содержанием кислорода не менее 2%. При коэффициенте использова­ ния кислорода, равном 0,5—1%, в иловой смеси зоны аэрации очистного соо­ ружения (аэротенка) будет создана надлежащая концентрация растворенного

вводе кислорода — на уровне 2—4 мг 02/л;

8)освещения. Процесс фотосинтеза сине-зеленых и других водорослей, входящих в состав активного ила, происходит тем лучше, чем ближе освеще­ ние к природному спектру;

9)содержания в сточных водах вредных химических веществ. Их содер­ жание не должно превышать ПДК, особенно тех, ПДК которых установлена по общесанитарному или санитарно-токсикологическому лимитирующему приз­ наку вредности. При одновременном присутствии в сточных водах химичес­ ких веществ, обладающих эффектом суммации, сумма соотношений фактиче­ ских концентраций веществ к их ПДК не должна превышать 1 ;

10)количественного и качественного состава активного ила. Минималь­ ная концентрация активного ила в зоне аэрации сооружений биологической очистки (например, аэротенков) должна быть не менее 2 г/л.

Специальными исследованиями установлено, что в 1 м3 иловой смеси аэ­ ротенков содержится биоценоз микроорганизмов, общая поверхность которо­ го равна 1800—2400 м2, в таком же объеме воды из биологических прудов — 20 м2, в 1 м3 речной воды летом — лишь 5 м2.

Для сравнения рассчитаем суммарную поверхность бактериальных клеток в сточных водах. Человек в течение суток выделяет 4,48 • 1012 микробных тел.

271

РАЗДЕЛ П. САНИТАРНАЯ ОХРАНА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Масса одной бактериальной клетки составляет приблизительно 0,5 • 10"12 г. Поэтому от человека за сутки в сточные воды попадает около 2,24 г бактерий. В 1 г бактерий содержится 2 • 1012 микробных тел. При норме водопотребления 200 л и попадании в этот объем воды 4,48 • 1012 микробных тел, 1 л сточной воды будет содержать 2,24 • 10ю бактериальных клеток, а 1 м3 — 2,24 х 1013 бак­ терий. При диаметре бактериальной клетки, равном 2 мкм (2 • 10~3 мм), площади поверхности одной бактериальной клетки (S = 47ГГ2), равной 1,2 • 10~5 мм2, сум­ марная поверхность бактериальных тел, содержащихся в 1 м3 сточной жидкос­ ти, составит 2,24 • 1013 х 1,2 • \05 = 2,7 х 108 мм2 = 270 м2.

Теоретические основы биологической очистки сточных вод. Главная цель биологической (или биохимической) очистки сточных вод состоит в ос­ вобождении их от органических веществ за счет аэробного окисления сапро­ фитными водными или почвенными микроорганизмами. Микроорганизмы не имеют специальных органов пищеварения, поэтому все питательные вещества проникают в клетку путем осмотического всасывания через мельчайшие поры клеточной оболочки. Для этого в процессе эволюции у микроорганизмов вы­ работалась способность выделять в питательную среду гидролитические экзоферменты, которые готовят сложные органические вещества к усвоению их микробной клеткой. В этом процессе принимают участие экзо- и эндоферменты. Первые действуют вне клетки и принимают участие в подготовке пита­ тельных веществ к их поступлению в клетку и дальнейшему усвоению. Эндоферменты действуют внутри клетки и обеспечивают процессы ассимиляции и диссимиляции.

Ферменты по характеру действия подразделяются на: 1) протеазы, кото­ рые расщепляют белковую молекулу. Они выделяются многими гнилостными бактериями; 2) эстеразы (липазы), которые расщепляют жиры. Присутствуют у многих плесневых грибов и бактерий; 3) карбогидразы, которые расщепляют крахмал, полисахариды, молочный сахар. Выделяются молочнокислыми бак­ териями, кишечной палочкой и т. д.

Процесс удаления органических веществ из сточных вод сверхсложный. При этом осуществляется одновременно минерализация органических веществ сточных вод и синтез нового органического вещества клеток микроорганизмов. Схематически его можно представить так.

Органические вещества животного и растительного происхождения попа­ дают в сточную воду в виде углеводов, жиров и белков, а также продуктов их обмена. Углеводы (полисахариды) в аэробных условиях под действием экзоферментов типа карбогидраз расщепляются до моносахаридов (глюкозы, ма­ льтозы и т. п.), углерода диоксида (С02) и воды (Н20). При этом образуется энергия:

Незначительная часть моносахаридов используется для синтеза гликогена различных микробных клеток. Большая часть углеводов в процессе эндогенно-

272

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

го дыхания микробной клетки окисляется ("сжигается"). Например, эндоген­ ное окисление глюкозы происходит по уравнению:

С6 Н1 2 06 + 602 -» 6С02 + 6Н2 0 + 688,5 кал.

Окисление в аэробных условиях органических веществ, содержащих угле­ род, называется декарбонизацией сточной воды.

В анаэробных условиях биохимический процесс распада органических ве­ ществ более сложный. Общей цепочкой биохимических процессов аэробного и анаэробного распада органических веществ, содержащих углерод, являет­ ся образование жирных кислот. В дальнейшем они распадаются до водорода, углекислоты, метана и других газов:

Дыхание анаэробов происходит без участия кислорода. Они получают не­ обходимую энергию за счет химических превращений органических веществ в более простые соединения. При этом выделяется значительно меньше энер­ гии, чем при кислородном дыхании. Примером анаэробного дыхания может служить процесс брожения глюкозы:

Биохимические анаэробные процессы используют в практике обезврежи­ вания осадка сточных вод в метантенках и отстойниках со сбраживанием осад­ ка (например, в септиках).

Жиры слишком медленно и мало поддаются биохимическим процессам распада. На очистных сооружениях канализации в аэробных условиях этот процесс протекает по схеме:

В анаэробных условиях жиры распадаются приблизительно по той же схе­ ме, что и углеводы.

Одним из органогенов — элементов развития любого микроорганизма — является азот. Поэтому на практике большое значение приобретает биохими­ ческий распад белков. В аэробных условиях белковые молекулы под влиянием ферментов, выделяющихся микроорганизмами, расщепляются на более прос­ тые вещества. Этот распад происходит через альбумины и пептоны до амино­ кислот1. Часть аминокислот используют в качестве пластического и энергети-

Много бактерий содержат фермент триптазу и непосредственно расщепляют белки на аминокислоты, минуя стадию пептона.

273

РАЗДЕЛ II. САНИТАРНАЯ ОХРАНА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

ческого материала микроорганизмы в процессе роста, которые являются со­ ставляющими активного ила, биологической пленки или органоминерального комплекса почвы. Часть аминокислот дезаминируется, образуя аммиак, воду и С02 . В анаэробных условиях аммиак растворяется в воде, образуя аммония гидроксид. Последний связывается угольной кислотой, образуя аммония кар­ бонат. Схематически это выглядит так:

NH3 + Н2 0 -> NH4OH;

2NH4OH + Н2 С03 -> (NH4)2C03 + 2Н20.

Из азота, использованного в качестве пластического материала для синте­ за активного ила, биологической пленки или органоминерального комплекса почвы, в процессе биохимического окисления образуется также углекислый аммоний:

Азотсодержащие органические вещества попадают в сточную воду в виде не только белка, но и продуктов обмена веществ, в частности мочевины. Моче­ вина под влиянием уробактерий и их фермента уреазы гидролизуется и обра­ зует как при окислении активного ила, так и при дезаминировании аминокис­ лот, углекислый аммоний:

Образуемый во время дезаминирования, самоокисления активного ила, гидролиза мочевины и других продуктов обмена углекислый аммоний со вре­ менем претерпевает биохимическое окисление при помощи аэробных бакте­ рий. Этот процесс, получивший название нитрификации, осуществляется в две фазы. В первую фазу аммонийные соли преобразуются в азотистые соединения (нитриты) бактериями из рода Nitrosomonas, а во вторую — в азотные (нитраты) бактериями рода Nitrobacter. Течение реакции (по СМ. Строганову) следующее:

(NH4)2C03 + 302 «* 2HN02 + С02 + ЗН2 0 + 148 кал; 2HN02 + 02 <^ 2HN02 + 44 кал.

Таким образом, азотная кислота в виде минеральных солей (нитратов) яв­ ляется конечным продуктом окисления белковых веществ и продуктов их

274

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

обмена в животном и растительном организмах. В связи с этим по количеству нитратов судят об успешности и полноте процесса биохимического окисления органических веществ, в состав которых входит белок.

Процесс нитрификации связан с выделением тепла и поэтому играет нема­ ловажную роль во время эксплуатации сооружений биохимической очистки сточных вод в зимнее время. Кроме того, в процессе нитрификации накаплива­ ется кислород. Последний может быть использован для биохимического окис­ ления органических безазотистых веществ, когда уже полностью растрачен свободный (растворенный) кислород. Под воздействием денитрифицирующих бактерий кислород отщепляется от нитритов и нитратов и вторично использу­ ется для окисления органического вещества.

Под денитрификацией в широком смысле слова понимается восстановле­ ние бактериями солей азотной кислоты (нитратов) независимо от того, образу­ ются ли при этом соли азотистой кислоты, окислы азота, аммиак или свобод­ ный азот. Степень восстановительного действия бактерий, помимо их биохи­ мических особенностей, зависит также от состава среды, его реакции и других условий. Так, в щелочной среде и при свободном поступлении воздуха восста­ новительный процесс не идет дальше образования солей азотистой кислоты; в кислой среде и при затрудненном поступлении кислорода процесс восстанов­ ления ограничивается образованием аммиака.

Денитрификацией в более узком значении слова называют распад азотно- и азотистокислых солей (нитратов и нитритов) с выделением свободного азота. Не имея свободного кислорода или располагая им в ограниченном количестве, денитрифицирующие бактерии берут его у солей азотной и азотистой кислот и одновременно окисляют безазотные органические соединения, получая вслед­ ствие этого окислительного процесса необходимую им энергию. Азотом нит­ ратов они также пользуются для построения своей плазмы. Этот сложный про­ цесс, одновременно восстановительный и окислительный, может быть пред­ ставлен (по Омелянскому) таким уравнением:

5С + 4KN03 = 2К2С03 + ЗС02 + 2N2,

где С — органический углерод.

Нитратный азот сначала восстанавливается до закиси азота, содержащего­ ся в газах, которые выделяются при денитрификации:

2KN03 + 2С = N2 0 + К2 С03 + С02 .

Закись азота затем распадается с выделением свободного азота (по Бейеринку):

2N2 0 + С - 2N2 + С02 . Процесс денитрификации протекает в три фазы:

2HN03 -> 2HN02 + 02 ;

2HN02 -» промежуточный продукт + 02 ; промежуточный продукт -> N2 + Н2 0 + О.

275