Вреред, на главную страницу

Микрофлора биологических очистных систем.

Возврат к Стр.1. Очистка сточных вод предприятий пищевой промышленности, характеристика загрязнений сточных вод, пригодность сточной воды для биологической очистки, сточные воды спиртовых и дрожжевых заводов, предприятий пивобезалкогольной и винодельческой промышленности

Стр.2. Микрофлора очистных систем, активный ил аэробных и анаэробных очистных систем, химический состав активных илов

Переход на Стр.3. Технология биологической очистки стоков, Аэробная очистка стоков, Анаэробная очистка стоков, Комбинированные схемы очистки стоков пром предприятий и спиртовых заводов

Переход на Стр.4. Биотехнологическая утилизация компонентов сточных вод промышленных предприятий и спиртовых заводов, выделение белка из активного ила

Переход на Стр.5. Производство кормового концентрата витамина В12 и метана метановым брожением послеспиртовой барды.

Переход на Стр.6. Интенсивные биогазовые технологии и их технологический потенциал.

Переход на Стр.7. Послеспиртовая мелассная барда и направления ее использования.

2.1. Активный ил аэробных очистных систем

Микрофлору биологических очистных систем составляют микроорганизмы, являющиеся биохимическим агентом при аэробной очистке сточных вод, образуют сложные сообщества активного ила и биопленки. Такие сообщества микроорганизмов (называемые также смешанной культурой, смешанным биоценозом) состоят из представителей многих систематических групп — бактерий, актиномицетов, грибов, водорослей, членистоногих. Основу биомассы таких сообществ составляют бактерии. Общая поверхность 1 грамма сухой биомассы этих микроорганизмов оценивается площадью около 100 м2, что и обусловливает высокую скорость обменных процессов при очистке сточных вод.

Биопленка, покрывающая твердые поверхности, погруженные в объем жидкости аэробных биохимических реакторов, образована иммобилизованными клетками микроорганизмов, ее толщина обыч­но не более 3 мм, чаще 0,5 - 1,0 мм.

Состав микроорганизмов активного ила и биопленки подвержен изменениям в широких пределах и зависит от условий культивирования, температуры в реакторе. Отмечается влияние мутагенных факторов сточной воды на состав микрофлоры очистных сооружений.

Бактериальный состав активного ила сточных вод в значительной мере зави­сит от состава очищаемой сточной воды. В таблице 2.1 приведены данные о содержании бактерий некоторых родов в активных илах очистных систем различных производств.

Таблица 2.1. Количество бактерий в сточных водах различных производств, %

Наиболее многочисленным родом в микрофлоре аэробных очистных систем является Pseudomonas - грамотрицательные палочковидные бактерии. Распространенность представителей этого рода бактерий обусловлена широким спектром компонентов загрязнений, которые могут служить для них субстратом.

У бактерий рода Pseudomonas имеется около 150 ферментных си­стем, способных превращать вещества сточной воды в биомассу и обеспечивать клетку энергией. К порядку Pseudomonas относится 50 – 80 % биомассы бактерий илов аэробных систем очистки производственных сточных вод. В этот порядок входят бактерии, окисляющие нитри­ты (Nitrosomonas), соединения серы (Sulfomonas, Thiobacillus).

В производственных стоках встречаются многие виды Bacterium. К ним относится аммонификаторы В. Micoides, разлагающие органи­ческие аминосодержащие соединения (белки, мочевину, аминокислоты) с образованием иона NH₄⁺ или свободного аммиака.

Бактериальный состав активных илов стабилен в течение длительного периода эксплуатации. Доминирующими родами являются Pseudomonas и Alcaligenes (5-39 и 36-84% соответственно), в то время как Bacillus, Zoogloea и факультативные анаэробы являются индикаторами нарушения процесса очистки. При перегрузке очистной системы резко возрастает содержание Zoogloea — до 45 %.

Прослеживается также изменение количества простейших от нагруз­ки на активный ил. В активном иле имеются так называемые индика­торные организмы, по состоянию которых судят о нормальном протекании процессов очистки. К ним относятся инфузории – Ciliata, Paramecium, Lacrimaria, Stentor, Stilonichia, Euplofes patella, Aspidisca costata, Opercularia, Vorticella. Установлено, что в нормально развитом био­ценозе на 10¹⁶ клеток бактерий приходится 10-16 клеток простейших, в илах худшего качества -- 5-9 клеток, а в илах ненормально работаю­щих очистных систем — 1-4 клетки. Из других организмов в илах встречаются коловратки (Rotatoria), являющиеся индикатором нормаль­ного насыщения жидкости кислородом.

В системах с изменяющейся нагрузкой на активный ил по ходу движения жидкости (аэротенки-вытеснители, биофильтры) изменяется состав микрофлоры. На начальной стадии процесса очистки, когда на единицу биомассы приходится большая часть субстрата, в биоценозе преимущественно развиваются гетеротрофные бактерии и простейшие, питающиеся растворенными компонентами сточной воды. Далее со снижением загрязненности воды уменьшается количество бактерий, появляется больше свободноплавающих простейших, питающихся бактериями. В конце процесса очистки развивается большое количест­во хищных простейших, появляются низшие беспозвоночные.

В биопленке, покрывающей поверхности носителя в реакторах с иммобилизованной микрофлорой, помимо бактерий наблюдается большое количество простейших, коловраток, червей. Биоценоз ила аэротенков и биопленка идентичны при очистке одной и той же воды, однако количество различных видов организмов разное. Показателем хорошего состояния биопленки является наличие инфузорий кругловых, брюхореспичных, жгутиковых, червей Nematoda, коловраток.

На стадии окончания биологической очистки воды протекают про­цессы нитрификация с образованием нитритов и жиратов. В этом процессе в качестве биологических агентов выступают бактерии из родов, Nitrosomonas и Nitrobacter. Наиболее изученным микроорганизмом, осушествляющим окисление аммонийного азота до нитритов — нитрификацию первой фазы, является Nitrosomonas europaea. Основной биологический агент нюрой фазы нитрификации — окисления нитритов в нитраты — Nitrobacter Vinogradskyi.

Глубокая биологическая доочистка сточных вод осуществляется с помощью культуры микроводорослей.

При создании благоприятных условий для культивирования микроволорослей (освещенность, температура, субстрат) их смешанное сообщество обычно состоит из представителей род jd Chlorella, Scenedesmus, Nitzschia, Ankistrodesmus.

При достаточном количестве органического субстрата в сточной Воде в освещенном культиваторе наблюдается симбиоптическое взаимодействие между сообществами бактерий и микроводорослей. Культура микроводорослей спонтанно развивается в условиях достаточной освещенности на последних стадиях очистки воды в дисковых био­фильтрах, биопрудах.

Положительный эффект от культивировании микроводорослей заключается не только в снижении концентрации азота и фосфора в очищенной воде, а в их обеззараживающем действии.

2.2. Активный ил анаэробных очистных систем

Анаэробные процессы применяются в практике очистки менее широко, чем аэробные. В последнее время возрастает интерес к метановому сбраживанию концентрированных углеродсодержащих субстратов, которое осуществляется сообществом анаэробных микроорганизмов. Для сточных вод пищевых предприятий применение метанового сбраживания весьма перспективно, поскольку позволяет достичь более благоприятного соотношения С/N для последующей аэробной доочистки, получить энергетическое сырье, поддержать достаточную температу­ру последующего аэробного процесса в зимний период.

Метановая ферментация на современным представлениям протекает в три стадии (Схема 1) .

Полное анаэробное расщепление органического вещества происхо­дит под влиянием трех основных групп бактерий (см. схему 1): (1) — гидролизующих; (2) — облигатных ацетогенных; (3) — ацетогенных; (4) — метаногенных. Первая стадия - гидролиз сложных соединений, биополимеров и конверсия продуктов в летучие жирные кислоты, спирты, альдегиды, диоксид углерода, аммиак, водород. Эти процессы осуществляются самыми  разнообразными  микроорганизмами, относящимися к аэробам, факультативным анаэробам, облигатным анаэробам. В анаэробной микрофлоре обнаружены бактерии рода Clostridium, обладающие протеолитической активностью, целлюлозоразрушающие — Васterioides rominicola, Butyrivibrio fibrisolvens, пектиноразрушающие, маслянокислые, пропионовокислые.

Схема 1.

Состав микрофлоры первой стадии анаэробной ферментации определяется составом питательной среды. Преобладание тех пли иных классов органических соединений - белков, углеводов, жиров - вызывает преимущественное развитие родов и видов микроорганизмов, способных к разложению соответствующих субстратов.

На второй стадии - образования уксусной кислоты, водорода и диоксида углерода — биологическими агентами являются облигатные ацетогенные бактерии, из которых выделено и исследовано всего несколько видов. В целом как группа эти микроорганизмы расщепляют пропионовую и другие жирные кислоты, некоторые соединения, образующиеся после первой стадии анаэробной ферментации. Продуктами расщепления являются уксусная кислота, водород, диоксид углерода. Третья стадия — метаногенная — изучена наиболее подробно как в отношении механизма образования метана, так и состава микрофлоры. Метаногенные бактерии — единственные организмы, способные трансформировать кислоты и водород в газообразный метан без внешних источников энергии или акцепторов электронов. Метаногены - уникальная группа, состоящая из самых разных видов и форм бактерий, растущих в строго анаэробных условиях.

Приблизительно 65 - 70% метана образуется за счет метильной группы уксусной кислоты. Остальное количество образуется из диоксида углерода и водорода бактериями рода Methanosarcina. Таким образом, разложение органических субстратов до СО₂ и СН₄ происходит при совместном культивировании трех групп бактерий. Каждая из этих групп развивается на определенных субстратах и в весьма ограниченных диапазонах внешних условий. Тем не менее они сосуществуют в одном объеме анаэробного реактора и при непрерывном культивировании могут рассматриваться как один биоценоз, сбраживающий сложный субстрат.

Другим важным анаэробным процессом является процесс денитрификации, потекающий при доочистке сточных вод пищевых предприятий с высоким содержанием азота. В настоящее время установлено, что бактерии, осуществляющие анаэробную очистку, способны восстанавливать нитритный азот в анаэробных условиях. Бактерии родов Achromobacter, Alkalingenes, Bacillus, Micrococcus, Pseusomonas, Acinetobacter восстанавливают соединения азота до N2, а Flavobacterium, Prosteus восстанавливают нитриты до нитратов. Эти бактерии относятся к хемоорганогетеротрофам, т.е. в анаэробных условиях при окислении ими органических веществ конечным акцептором электрона служит молекулярный кислород, а в анаэробных – кислород нитратов и нитритов.

Амидолитичсская и денитрифицирующая активность после максимума при 30 °С снижается с ростом температуры, а затем при 60 °С снова увеличивается. Численность микроорганизмов, обладающих целлюло-золитической активностью, в диапазоне 20-30 °С стабильна, а при 40 °С эта группа не обнаруживается.

Данные о динамике численности микроорганизмов различных физиологических групп можно использовать при выборе режима функ­ционирования очистных систем для создания оптимальных условий обезвреживания загрязнений в сточных водах.

Близким по значению для контроля процесса очистки является метод определения ферментативной активности биомассы .активного ила. В отличие от физиологической активности ферментативная активность измеряется по убыли специфического субстрата при инкубации его в течение короткого времени с активным илом. Предполагается использовать этот метод в системах автоматического контроля вместо определения БПК и концентрации активного ила.

2.4. Химический состав активных илов

Активные илы очистных систем преимущественно состоят из био­массы смешанного сообщества микроорганизмов, растущего т сложном субстрате (сточной воде). Состав биомассы в основном определяет состав активною ила. Однако при очистке жидкостей с большим содержанием органических взвешенных веществ и размерами частиц более 10^-4 м в активных плах накапливается осажденное в отстойниках вещество дисперсной фазы стоков. Рециркуляция активного ила приводит к частичному разложению, уменьшению размеров органических частиц дисперсной фазы. Существует функциональная зависимость между возрастом биомассы активного ила, концентрацией, дисперсным составом поступающей в аэротенк взвеси и ее концентрацией в активном иле.

Многочисленными исследованиями установлено, что биомасса аэробного активного ила имеет следующий элементный состав: С₅Н₇О₂N, а с учетом фосфора С₅Н₇О₂NP_0,06. Содержанием фосфора можно пренебречь, поскольку в сточных водах пищевых предприятий он имеется в достаточном количестве и в расчетах прироста биомассы может не учитываться.

Для расчетов, связанных с определением прироста биомассы, баланса элементов, в процессе очистки достаточно точной формулой кле­точного вещества является С₅Н₇О₂N. Эта формула отражает состав как аэробного, так и анаэробного активного ила и согласуется с эле­ментным составом практически всех микроорганизмов, применяемых в биотехнологии в качестве биологических агентов.

Типичный состав сухого вещества микробной  клетки характери­зуется следующими значениями %: углерод - 50; азот - 7-12; фос­фор 1-3; сера 0,5-1,0; магний - 0,5.

Биохимический состав беззольного клеточного вещества актив­ного ила по классам соединений оценивается следующими показате­лями %:

углеводы – 3,8-5,3;  белки – 56,3-58,2;    жиры – 21,7-21,9.

 Примятый в биотехнологии расчет состава биомассы на абсолютно сухое вещество (АСВ) представляется более рациональным, чем расчет на беззольное вещество, поскольку зольные элементы являются оставной частью клеточного вещества. Стехиометрические расчеты выхода биомассы, экономических коэффициентов и т. д. ведутся в пересчете на сухое вещество, следовательно, правильнее учитывать и зольную часть вещества микроорганизмов.

При аэробной очистке основными технологическими параметрами являются скорость разбавления (время пребывания) и удельная скорость роста биомассы. В таблице 2.2 приведены данные о составе биомассы активного ила в различных режимах работы экспериментальной ус­тановки, представляющей собой реактор-смеситель с отстойником и системой рециркуляции.

2.2. Состав биомассы активного ила при различных режимах очистки

Наибольшее содержание белка в активном иле при режимах без рециркуляции. Возврат ила приводит к увеличению его возраста и относительному увеличению содержания минеральных компонентов. Изменение количества углеводов имеет нерегулярный характер, а содержание нуклеиновых кислот относительно стабильно. Постоянное содержание нуклеиновых кислот в илах различного "возраста" (величина, обратная удельной скорости роста) свидетельствуют о том, что состав биомассы клеток мало изменяется и различных режимах культивированпя. Нарастание зольности "старых" плов связано, по-видимому, с накоплением в осадке различных минеральных частик, которые тяжелее микробных клеток и концентрируются за счет осаждения в отстойнике и рециркуляции. Исследование состава ила по длине аэротенка показало, что содержание нуклеиновых кислот незначительно изменяется с "возрастом" клеток.

Исследования изменения химического состава активного ила при очистке модельных стоков молочных заводов показали, что содержание общего углерода составляет 50,2—60,2% при времени пребывания в аэротенке от 13 до 24 ч. Количество углерода зависело не от времени аэрации, а от ее интенсивности. Длительность аэрации в исследовавшемся весьма узком диапазоне мало влияла на химический состав ила. При очистке сточных вод, не содержащих литеральных дисперсных частиц, зольность биомассы активного ила не зависит от "возраста" последнего и находится в пределах 19—21 %. В связи с этим существующие системы расчета аэробной очистки, учитывающие накопление "инертной биомассы" с возрастанием времени пребывания ила, не отражают существа биохимических процессов, а являются эмпирическим обобщением данных о возрастании количества минеральных частиц и осадке вторичных отстойников. Нее расчетные модели, связывающие "возраст" ила с его зольностью, применимы только к тем системам очистки и тем сточным водам, на которых были получены экспериментальные данные. Методики расчета, изложенные в разделе 4, разработаны для активной биомассы с зольностью 20 %.

Литература. Проектирование очистных сооружений канализации. Южно-уральский университет. Челябинск.