< Предыдущая   Оглавление   Следующая >

13.3. Биохимическая кинетика

Для того чтобы происходил процесс биохимического окисления органических веществ, находящихся в сточных водах, они должны попасть внутрь клеток микроорганизмов. К поверхности клеток вещества поступают за счет конвективной и молекулярной диффузии, а внутрь клеток - диффузией через полупроницаемые цитоплазматические мембраны. Но большая часть вещества попадает внутрь клеток при помощи специфического белка-переносчика. Образующийся растворимый комплекс "вещество - переносчик" диффундирует через мембрану в клетку, где он распадается, и белок-переносчик включается в новый цикл переноса вещества.

Основную роль в процессе очистки сточных вод играют процессы превращения вещества, протекающие внутри клеток микроорганизмов. Эти процессы заканчиваются окислением вещества с выделением энергии и синтезом новых веществ с затратой энергии.

К биохимической кинетике относятся закономерности изменения скоростей биохимических реакций. В последнее время некоторые закономерности биохимической кинетики стали использоваться применительно к математическому описанию процессов биологического окисления сложным биоценозом ила. В основу развития биохимической кинетики положена классическая теория Михаэлиса-Ментена, которая построена на строгом математическом обосновании гипотезы об образовании фермент-субстратного комплекса:

(13.3)

где v - скорость реакции; vmax - максимальная скорость реакции; [S] - концентрация субстрата; Км - константа Михаэлиса, численно равная концентрации субстрата и характеризующая зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата в стационарном состоянии процесса.

Для окисления органических веществ микроорганизмами необходим кислород, но они могут его использовать только в растворенном в воде виде. Для насыщения сточной воды кислородом проводят процесс аэрации, разбивая воздушный поток на пузырьки, равномерно распределяя их в сточной воде. Из пузырьков воздуха кислород абсорбируется водой, а затем переносится к микроорганизмам (рис. 13.2).

Рис. 13.2. Схема переноса кислорода от пузырьков газа к м икроорганизмам: А - пузырек газа; Б - скопление микроорганизмов; 1 - пограничный диффузионный слой со стороны газа; 2 - поверхность раздела; 3 - пограничный диффузионный слой со стороны жидкости; 4- перенос кислорода от пузырька к микроорганизмам; 5 - переход кислорода внутрь клеток; 6 - пограничный диффузионный слой со стороны жидкости у микроорганизмов; 7 - зона реакции между молекулами кислорода с ферментами

Количество потребного кислорода выражено только через величину БП К. В целом при биологической очистке кислород расходуется на окисление до конца (до СO2, Н2O, NH3) части органических веществ, используемых в энергетическом обмене; на эндогенную респирацию активного ила; на химическое окисление некоторых примесей, окисляющихся кислородом; на нитрификацию аммонийного азота и на создание некоторого запаса растворенного кислорода в очищенной воде.

Количество абсорбируемого кислорода M, кг/с, может быть вычислено по уравнению массоотдачи:

(13.4)

где βv - объемный коэффициент массоотдачи, с-1; V - объем сточной воды в сооружении, м ; Ср, С - равновесная концентрация и концентрация кислорода в массе жидкости, кг/м3.

Количество абсорбируемого кислорода может быть увеличено за счет роста коэффициента массоотдачи или движущей силы.

На скорость биохимического окисления влияет турбулизация сточных вод в очистных сооружениях, что способствует распаду хлопьев активного ила на более мелкие и увеличивает скорость поступления питательных веществ и кислорода к микроорганизмам. Турбулизация потока достигается интенсивным перемешиванием, при котором активный ил находится во взвешенном состоянии, что обеспечивает равномерное распределение его в сточной воде.

13.4. Биохимическая очистка в анаэробных условиях

Анаэробные методы очистки протекают без доступа кислорода; их используют в основном для обезвреживания осадков, а также как первую ступень очистки очень концентрированных промышленных сточных вод (БПКполн ≈ 4...5 г/л), содержащих органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в процессах брожения.

В зависимости от конечного вида продукта различают спиртовое, пропионовокислое, молочнокислое, метановое брожение и др. Конечными продуктами брожения являются спирты, кислоты, ацетон, газы брожения (СO2, Н2, СН4).

Сбраживание осадков проходит две фазы: кислую и щелочную. В кислой фазе из сложных органических веществ образуются низшие жирные кислоты, спирты, аминокислоты, аммиак, глицерин, ацетон, сероводород, диоксид углерода и водород. Сложные органические вещества осадка и ила под действием внеклеточных бактериальных ферментов сначала гидролизуются до более простых: белки - до пептидов и аминокислот, жиры - до глицерина и жирных кислот, углеводы - до простых сахаров.

Эти промежуточные продукты во второй фазе щелочного, или метанового, сбраживания из органических кислот образуют метан и угольную кислоту.

Анаэробный процесс метановой ферментации проходит по следующей схеме:

Основная реакция метанообразования

где Н2A - органическое вещество, содержащее Н2.

Метан может образовываться в результате распада уксусной кислоты

При денитрификации в анаэробных условиях

Анаэробный процесс денитрификации происходит в две стадии:

При определенных условиях конечным продуктом может быть и аммиак.

Для анаэробного сбраживания осадков сточных вод обычно используют два температурных режима: мезофильный при температуре 30...35 С и термофильный при температуре 52...55 С. Полного сбраживания органических веществ при анаэробном сбраживании достичь нельзя. В среднем степень распада органических веществ составляет около 40%.

< Предыдущая   Оглавление   Следующая >