Аэробное и анаэробное окисление микроорганизмов

Аэробное  и анаэробное окисление  микроорганизмов.

Аэробное  окисление в биологических прудах представляет собой процесс минерализации органических веществ под действием микроорганизмов, обитающих в воде. Биологические пруды - это водоемы, в которых создаются наиболее благоприятные для жизнедеятельности микроорганизмов условия (небольшая глубина, отсутствие течений, большое количество микроводорослей, насыщающих воду кислородом, обилие простейших, питающихся бактериями и т.п.). Строительство биологических прудов целесообразно как для доочистки сточных вод, так и для очистки воды рек, впадающих в водохранилища.  
Масштабное использование биологических прудов и полей фильтрации ограничивают сезонный характер их работы, малая пропускная способность, а также необходимость в отводе больших участков земли и постоянном контроле уровня грунтовых вод.  
При очистке сточных вод в аэротенках и биофильтрах разложение загрязняющих веществ микроорганизмами проходит в искусственных сооружениях. Здесь удается подобрать и поддерживать в течение длительных промежутков времени оптимальные условия для жизнедеятельности МО (температура, значение рН, насыщение кислородом и др.), активизируя процесс минерализации. Очистка на биофильтрах имитирует почвенные условия, а очистка в аэротенках - условия водоемов 
Аэротенки представляют собой достаточно глубокие (от 3 до 6 м) резервуары, снабженные устройствами для аэрации. Здесь обитают колонии МО (на хлопьевидных структурах активного ила), расщепляющие органические вещества. После аэротенков очищенная вода попадает в отстойники, где происходит осаждение активного ила для последующего частичного возвращения его в аэротенк. Кроме того, на подобных сооружениях устраиваются специальные емкости, в которых ил "отдыхает" (регенерируется) 
Биофильтр в простейшем исполнении представляет собой резервуар, заполненный крупнозернистым материалом, на частицах которого закрепляются МО. То есть, в отличие от аэротенка, аэробные бактерии расположены здесь на стационарно размещенных носителях. Биофильтры проще аэротенков в эксплуатации, более надежны и способны переносить периодические перегрузки по загрязнению и объему сточных вод. Главное направление в совершенствовании биофильтров в настоящее время состоит в увеличении поверхности загрузки. Как и для любых живых систем, для сооружений биологической очистки существуют концентрации загрязняющих веществ, превышение которых может привести к гибели всей колонии МО.  
 
Анаэробный метод очистки может рассматриваться в качестве одного из наиболее перспективных при наличии высокой концентрации в сточных водах органических веществ или для очистки бытовых стоков. Его преимущество перед аэробными методами заключается в резком снижении эксплуатационных расходов (для анаэробных МО не требуется дополнительной аэрации воды) и отсутствии проблем, связанных с утилизацией избыточной биомассы.  
 
Анаэробные реакторы обычно представляют собой железобетонные или металлические емкости, содержащие минимум, по сравнению с реакторами аэробной очистки, оборудования. Однако процесс жизнедеятельности анаэробных бактерий связан с выделением метана, что зачастую требует организации специальной системы наблюдений за его концентрацией в воздухе.  
 
Все вышеперечисленные методы применимы, когда концентрация определенных загрязняющих веществ не превышает допустимый уровень. В большинстве случаев необходимо проводить три-четыре ступени предочистки сточных вод, чтобы добиться необходимого содержания определенных веществ. Кроме того, чтобы сбросить уже очищенные сточные воды в водоем после сооружений биологической очистки, часто необходима их доочистка (например, озонированием или УФ-облучением).

В настоящее  время практически все типы сточных вод перед сбросом в водоемы проходят стадию биологической очистки, сущность которой сводится к тому, что в определенных условиях особые микроорганизмы расщепляют органические вещества до конечных продуктов – воды, углекислого газа, нитрита сульфатионов и т.д.

По типу микроорганизмов (МО), участвующих  в разложении органических веществ, биологические методы могут быть разделены на аэробные (для жизнедеятельности МО необходим кислород) и анаэробные (живут в отсутствии кислорода). Кроме того, существуют отдельные штаммы организмов, для которых необходимо наличие в питательной среде азота.

Аэробные методы очистки могут быть разделены по типу резервуара, в котором происходит окисление загрязняющих веществ. «Резервуарами» в данном случае могут являться поля фильтрации, биологические пруды, аэротенки и биофильтры. При этом суть самого метода очистки (минерализация органических веществ) остается неизменной.

Поля  фильтрации представляют собой специализированные земельные участки, выделенные для сброса на них загрязненных сточных вод и населенные почвенными аэробными микроорганизмами. Попадая в почву, вредные органические вещества подвергаются окислительному действию МО, в результате чего образуются вода и углекислый газ.

Аэробное окисление  в биологических  прудах представляет собой процесс минерализации органических веществ под действием микроорганизмов, обитающих в воде. Биологические пруды – это водоемы, в которых создаются наиболее благоприятные для жизнедеятельности микроорганизмов условия (небольшая глубина, отсутствие течений, большое количество микроводорослей, насыщающих воду кислородом, обилие простейших, питающихся бактериями и т.п.). Строительство биологических прудов целесообразно как для доочистки сточных вод, так и для очистки воды рек, впадающих в водохранилища. Масштабное использование биологических прудов и полей фильтрации ограничивают сезонный характер их работы, малая пропускная способность, а также необходимость в отводе больших участков земли и постоянном контроле уровня грунтовых вод.

При очистке  сточных вод в аэротенках и биофильтрах разложение загрязняющих веществ микроорганизмами проходит в искусственных сооружениях. Здесь удается подобрать и поддерживать в течение длительных промежутков времени оптимальные условия для жизнедеятельности МО (температура, значение рН, насыщение кислородом и др.), активизируя процесс минерализации. Очистка на биофильтрах имитирует почвенные условия, а очистка в аэротенках – условия водоемов.

Аэротенки представляют собой достаточно глубокие (от 3 до 6 м) резервуары, снабженные устройствами для аэрации. Здесь обитают колонии МО (на хлопьевидных структурах активного ила), расщепляющие органические вещества. После аэротенков очищенная вода попадает в отстойники, где происходит осаждение активного ила для последующего частичного возвращения его в аэротенк. Кроме того, на подобных сооружениях устраиваются специальные емкости, в которых ил «отдыхает» (регенерируется).

На сегодняшний  день одной из наиболее эффективных  очистных систем на базе аэротенков считается  SBR-технология (SBR расшифровывается как sequencing batch reactor – аэробный реактор с циклично прерываемой активностью). Данная система очистки предполагает периодический перевод аэротенков в аноксидный режим с низким уровнем растворенного кислорода, что резко расширяет типы протекающих в емкости биохимических реакций. Благодаря этому SBR-система отличается высоким качеством очистки воды, которое позволяет использовать очищенную воду даже в системах оборотного водоснабжения. Примером SBR-технологии могут служить российские разработки «ЮБАС» и «ТОПАС».

 Биофильтр в простейшем исполнении представляет собой резервуар, заполненный крупнозернистым материалом, на частицах которого закрепляются МО. То есть, в отличие от аэротенка, аэробные бактерии расположены здесь на стационарно размещенных носителях. Биофильтры проще аэротенков в эксплуатации, более надежны и способны переносить периодические перегрузки по загрязнению и объему сточных вод. Главное направление в совершенствовании биофильтров в настоящее время состоит в увеличении поверхности загрузки. Как и для любых живых систем, для сооружений биологической очистки существуют концентрации загрязняющих веществ, превышение которых может привести к гибели всей колонии МО. Анаэробный метод очистки может рассматриваться в качестве одного из наиболее перспективных при наличии высокой концентрации в сточных водах органических веществ или для очистки бытовых стоков. Его преимущество перед аэробными методами заключается в резком снижении эксплуатационных расходов (для анаэробных МО не требуется дополнительной аэрации воды) и отсутствии проблем, связанных с утилизацией избыточной биомассы. Анаэробные реакторы обычно представляют собой железобетонные или металлические емкости, содержащие минимум, по сравнению с реакторами аэробной очистки, оборудования. Однако процесс жизнедеятельности анаэробных бактерий связан с выделением метана, что зачастую требует организации специальной системы наблюдений за его концентрацией в воздухе. Все вышеперечисленные методы применимы, когда концентрация определенных загрязняющих веществ не превышает допустимый уровень. В большинстве случаев необходимо проводить три-четыре ступени предочистки сточных вод, чтобы добиться необходимого содержания определенных веществ. Кроме того, чтобы сбросить уже очищенные сточные воды в водоем после сооружений биологической очистки, часто необходима их доочистка (наприме, озонированием или УФ-облучением).  
 
 

Аэробное  и анаэробное окисление  микроорганизмов.

Аэробный  и анаэробный метаболизм ароматических соединений.

Существует два  типа метаболизма ароматических  субстратов, аэробный и анаэробный. Аэробная деградация простых ароматических соединений инициируется введением в молекулу одной или двух гидроксильных групп под действием моно- или диоксигеназ. Далее катехол подвергается орто- или мета-расщеплению ароматического кольца с образованием соответствующих производных муконовой кислоты. Эти неароматические продукты дальше окисляются с использованием реакций общих метаболических путей до воды и углекислоты. Если на бензольном кольце имеются заместители, то они могут преобразовываться и отщепляться как до, так и после раскрытия кольца. Разложение ароматических кислот может начинаться с неокислительного декарбоксилирования, приводящего к образованию фенолов, которые затем окисляются в линейные непредельные дикарбоновые кислоты (Elder,1994;Heider,1997).Основными микроорганизмами, разрушающими в аэробных условиях простые ароматические соединения, являются представители родов Pseudomonas, Alcaligenes,Bacillus и грибы рода Aspergillus, широко распространенные в почвенных и водных экосистемах.

В анаэробных условиях, при отсутствии такого окислителя как кислород, разрушение ароматических веществ,происходит более сложно, в многоэтапном процессе при участии различных ферментов. Микроорганизмы способны использовать широкий набор ароматических субстратов в нитрат-, сульфат-, железо- и карбонат-восстанавливающих условиях. Основными этапами процесса биодеградации являются активирование бензольного кольца, его разрыв и образование С₁- и С₂-соединений. Активирование кольца может быть результатом реакций карбоксилирования, анаэробного гидроксилирования и образования КоА-тиоэфиров ароматических кислот. В последней реакции участвуют растворимые, неспецифичные, индуцибельные КоА-лигазы или КоА-трансферазы. Центральным интермедиатом процесса биодеградации ароматических соединений является бензоил-КоА, который подвергается серии последовательных восстановлений под действием бензоил-КоА-редуктазы и гидролитическому расщеплению образовавшегося производного циклогексана. Первым неароматическим продуктом является пимелил-КоА. Далее происходит ряд окислений и декарбоксилирование глутаконил-КоА с образованием, в конечном счете, ацетил-КоА(Heider,1997; Kleerebezem,1999;Lochmeyer,1992).Лишь немногие микроорганизмы, способные к биодеструкции ароматических соединений, выделены в виде чистых культур. Это Pseudomonas sp., Thauera aromatica, T. chlorobenzoica, Desulfobacterium anilini, Azoarcus evansii, Magnetospirillum sp., Delftia acidovorans, Rhodopseudomonas palustris, Syntrophus gentinae и S. buswellii. Значительно больше сведений о биодеградации таких соединений анаэробными микробными сообществами. В метаногенных условиях конечные стадии биодеструкции представлены археями родов Methanobacterium, Methanospirillum, Methanosarcina, Methanosaeta.

Биодеструкция поверхностно-активных веществ типа алкилбензолсульфонатов, имеющих в  алкильной цепи от одного до трех атомов углерода, начинается с сульфонатной группы, а у соединений с бóльшим  числом атомов – с боковой цепи. В аэробных условиях такие соединения разлагаются бактериями и грибами, способными к деструкции ароматических  соединений. В отсутствие кислорода  разрыв C-S-связи сульфоароматических соединений могут проводить бактерии с бродильным типом метаболизма. Процессы анаэробной деградации алкилбензолсульфонатов эффективней идут в сообществе, содержащем микроорганизмы родов Clostridium,Desulfovibrio,Methanobacterium, Methanosarcina. 
 
 
 
 
 

Аэробная  очистка сточных  вод

Биологическая переработка отходов опирается  на ряд дисциплин: биохимию, генетику, химию, микробиологию, вычислительную технику. Усилия этих дисциплин концентрируются  на трех основных направлениях:

• деградация органических и неорганических токсичных отходов;
• возобновление ресурсов для возврата в круговорот веществ углерода, азота, фосфора, азота и серы;
• получение ценных видов органического топлива.

При очистке  сточных вод выполняют четыре основные операции:

1. При первичной  переработке происходит усреднение  и осветление сточных вод от  механических примесей (усреднители,  песколовки, решетки, отстойники).

2. На втором  этапе происходит разрушение  растворенных органических веществ  при участии аэробных микроорганизмов.  Образующийся ил, состоящий главным  образом из микробных клеток, либо удаляется, либо перекачивается  в реактор. При технологии, использующей  активный ил, часть его возвращается  в аэрационный тенк.

3. На третьем  (необязательном) этапе производится  химическое осаждение и разделение  азота и фосфора.

4. Для переработки  ила, образующегося на первом  и втором этапах, обычно используется  процесс анаэробного разложения. При этом уменьшается объем  осадка и количество патогенов,  устраняется запах и образуется  ценное органическое топливо  - метан.

На практике применяются одноступенчатые и  многоступенчатые системы очистки. Одноступенчатая схема очистки  сточной воды представлена на рис. 6.