Основы биологической очистки промстоков ЦБП (стр. 4 )

Если напротив, г субстрата меньше, чем биомассы, то необ­ходимо прямое окисление субстрата молекулярным кислородом для понижения степени восстановленности углерода. В этих окислитель­ных реакциях, катализируемых различными ферментами (оксидазами, оксигеназами и пероксидазами), не обнаружено никакого механизма улавливания энергии, т. е. в термодинамическом отношении они ведут к потере клеткой (рассеиванию в виде тепла) части свобод­ной энергии субстрата, соответственно, энергетический выход па­дает. Таким образом, при существенном отличии г субстрата от г биомассы следует ожидать более низких энергетических выходов, чем при совпадении степени восстановленности углерода в субст­рате и биомассе.

Химический состав биомассы. Элементный состав сухой биомассы бактерий по результатам статистической обработки много­численных экспериментальных данных составляет: углерод − (46,2+2,4)%,  водород − (6,8+0,4)%, кислород − (30,3+3,1)%, азот − (8,9+1,6)%, зола − 7,8%. Это соответствует энергосодержанию 4,2 ккал/г, кислородному эквива­ленту 1,33кг О2/кг, степени восстановленности углерода 4,2 и среднему химическому составу: белки − 60%, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) − 20%, углеводы − 15%, липиды − 5%. В определенных условиях может синтезироваться биомасса аномального состава. Например, при недостатке азота в среде происходит сверхсинтез полисахаридов, содержание которых в сухой биомассе может дости­гать 50 − 60%. 

Затраты энергии на синтез различных компонентов биомассы неодинаковы: на синтез 1 кг липидов и полисахаридов требуется энергии в несколько раз меньше, чем на синтез белков и нуклеи­новых кислот. Поэтому с увеличением в клетках весовой доли липидов, полисахаридов, а также поли−в−оксимасляной кислоты, энергетический выход возрастает.

Длина углеродной цепи молекул субстрата. Для транспортиров­ки внутрь бактериальных клеток молекул с длинной углеродной цепью (высокомолекулярных) требуется их предварительное расщеп­ление до мономеров с помощью внеклеточных ферментов (экзоферментов), т. е. возникают дополнительные энергетические затраты, энер­гетический выход  биомассы снижается.

Соотношение затрат энергии на рост и поддержание жизнедея­тельности. Процессы поддержания жизнедеятельности включают обо­рот клеточного материала (основной обмен), осмотическую работу по поддержанию градиентов концентрации веществ внутри и вне клет­ки, подвижность клеточных органелл и т. п. Энергетические зат­раты на поддержание жизнедеятельности увеличиваются в неоптималь­ных для роста условиях (рН, температура и т. д.), с увеличением сравнительной токсичности органических веществ и ростом концент­рации компонентов, способных оказывать на микроорганизм токсичное действие. В соответствии со схемой 1.5 с ростом затрат субст­рата на процессы поддержания жизнедеятельности энергетический выход падает. 

Степень сопряженности конструктивного и энергетического обменов. Вся совокупность реакций биоокисления субстрата, иду­щих с выделением энергии (энергодающие процессы), называется энергетическим обменом веществ, а совокупность реакций синтеза, в которых энергия потребляется, − конструктивным обменом. Вопрос сопряженности конструктивного и энергетического обменов являет­ся одним из главных в энергетике роста микроорганизмов. Это соп­ряжение осуществляется через макроэргические соединения, основным из которых является АТФ. Энергия, выделяющаяся при окислении субстрата, может запасаться в АТФ, образующейся в результате фосфорилирования АДФ. Гидролиз АТФ приводит к выделению энер­гии, которая может обеспечивать выполнение различной работы: химической (биосинтез компонентов клетки), механической (дви­жение клетки и её органелл), электрической (перенос заряда против градиента электрического потенциала), осмотической (перенос веществ против градиента их концентрации).

В аэробных условиях, когда перенос электронов от окисляемо­го вещества на кислород осуществляется по дыхательной цепи, энергетический обмен относительно независим от конструктивного обмена. В неоптимальных для роста микроорганизмов условиях проис­ходит разобщение этих процессов путем окисления субстрата без образования АТФ и "холостого" гидролиза АТФ; энергия рассеивает­ся в виде тепла, а не используется на физиологические нужды клет­ки. С увеличением степени сопряженности конструктивного и энер­гетического обменов энергетический выход биомассы возрастает.

Многочисленными исследованиями установлено, что при росте гетеротрофных бактерий на простых субстратах энергетический выход биомассы является физиологической константой (з = 0,6), если выполняются следующие условия: синтезируется биомасса нор­мального состава (содержание полисахаридов не более 20...30%), степень восстановленности углерода в субстрате и биомассе примерно одинаковы, степень сопряженности конструктивного и энергети­ческого обменов максимальна, расход субстрата на поддержание жизнедеятельности значительно меньше его затрат на рост клеток.

Перечисленные условия, как правило, выполняются в системах неполной биологической очистки промстоков ЦБП, т. е. когда биоокислению подвергаются наиболее легкоокисляемые компоненты сточной воды, а самоокисление активного ила не получает заметного развития. При росте активного ила на трудноокисляемых компонен­тах промстоков энергетический выход биомассы ниже, в частности, на низкомолекулярных производных фенола максимальный энергети­ческий выход составляет около 0,5, а на щелочном лигнине − не бо­лее 0,1 −  0,2.

Кислород в процессе аэробной биологической очистки в общем случае затрачивается на прямое химическое окисление и биоокисление. Для стоков ЦБП расход кислорода на прямое химическое окисле­ние составляет не более нескольких процентов от общих его затрат.

Потребление кислорода на процесс нитрификации, ведущий к окислению аммонийного азота до нитритов и нитратов, также пренебрежимо мало. Поэтому уравнение энергетического баланса в кислородных единицах имеет вид:

  Д ХПК сист.  = Д О2;  (1.10)

где Д ХПК сист.  −  изменение (уменьшение) ХПК системы "активный ил - сточная вода", кг О2 /м3,  Д О2  −  количество потребленного кислорода кг О2 /м3.

В процессе биологической очистки ХПК сточной воды снижает­ся, а ХПК активного ила возрастает:

  Д ХПК сист. =  ДS − хx Д Х;  (1.11)

где ДS − уменьшение ХПК сточной воды, кг О2 /м3, Д Х − прирост актив­ного ила по сухому весу, кг/м3, хx − кислородный эквивалент (удель­ное ХПК) активного ила, кг О2 /кг.

Из (1.10) и (1.11) получим:

  ДS =  хx Д Х + Д О2;  (1.12)

  1 = з + Z;  (1.13)

где  Z = Д О2/ ДS − расход кислорода на 1 кг снятого ХПК сточной воды кг О2/ кг О2.

Соотношение (1.12), по существу, является уравнением материально-энергетического баланса: изменение ХПК  сточной воды, пропорциональное изменению свободной энергии органических веществ, увязывается с приростом активного ила в единицах сухого веса.

Экономический коэффициент, равный приросту активного ила на 1 кг снятого ХПК промстоков, пропорционален энергетическому выходу:

  у = ;  (1.14)

В системах неполной биологической очистки кислородный эквивалент активного ила достаточно стабилен. В среднем хxо = 1,33 кг О2 /кг (на единицу беззольной массы активного ила 1,42 кг О 2 /кг). Истинный экономический коэффициент уо,  который равен экономическому коэффициенту, при условии, что скорость самоокисления биомассы и скорость потребления субстрата на поддержание жизнедеятельности пренебрежимо малы в сравнении со скоростью роста микроорганизмов, составляет

  уо =  

При исчерпании в среде легкоокисляемых компонентов часть микроорганизмов активного ила, лишившись доступного субстрата, переходит в эндогенную фазу (самоокисляется). Микроорганизмы, способные утилизировать трудноокисляемые компоненты, продолжают рост, но  с более низким (чем при росте на легкоокисляемых вещест­вах) энергетическим выходом биомассы. По этим причинам с повы­шением эффекта очистки энергетический выход падает и в пределе стремится к нулю. Экономический коэффициент также снижается, но в силу накопления в активном иле минеральных продуктов окисле­ния (веществ с нулевым энергетическим уровнем) всегда больше нуля: у ≈ 0,1. Возможный диапазон изменения коэффициента Z, как следует из уравнения (1.13), составляет 0,4 − 1,0.

Прирост активного ила и потребление кислорода обычно от­носят к БПК5 сточной воды. Из (1.12) получим:

  хx·Уl + Zl = ;  (1.15)

  Уl = ;  Zl = ;  (1.16)

Из уравнения (1.1) следует:

  ;  (1.17)

В результате уравнение материально-энергетического ба­ланса сводится к уравнению взаимосвязи прироста активного ила, потребления кислорода и глубины биологической очистки:

  хx·Уl + Zl = ;  (1.18)

1.4. КИНЕТИКА БИООКИСЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ С АКТИВНЫМ ИЛОМ

Процесс биохимического окисления органических загрязне­ний в аэротенках является одним из промышленных микробиологи­ческих процессов, но имеет ряд особенностей.

Во-первых, активный ил − это  не искусственный микробный ценоз, подобранный из чистых культур, а экологическая система микроорганизмов, самопроизвольно сформировавшаяся в результате ферментативной и экологической адаптации в реальных условиях процесса. Смена режима биологической очистки, в частности, изме­нение концентрации сточных вод, вызывает перестройку всего биоценоза.  Длительность такого адаптационного перехода может состав­лять несколько суток и более. Естественно, что кинетика биоокисления будет различной в стационарном и переходном состояниях активного ила. Например, установлено, что для неадаптированного активного ила скорость биоокисления органических веществ пром­стоков прямопропорциональна  концентрации ила. Наоборот, в адаптированных системах начальная скорость биоокисления прямопропорциональна концентрации сточной воды в широком  диапазоне БПК, а для неадаптированных систем эта зависимость описывается кривой с насыщением.