Криобиологические сосуды > Окружающая среда и биотехнология > Активный ил

Активный ил


Переработка отходов с помощью активного ила, осуществляе­мая сложной смесью микроорганизмов, была предложена в 1914 г. Этот процесс более эффективен, чем фильтрация, и по­зволяет перерабатывать сточные воды в количестве, в десять раз превышающем объем реактора. Однако он обладает рядом недостатков: более высокими эксплуатационными расходами из-за необходимости перемешивания и аэрации; большими трудностями в осуществлении и поддержании процесса; образо­ванием большого избытка биомассы. Несмотря на все это, процесс, использующий активный ил, остается наиболее рас­пространенным методом переработки сточных вод в густонасе­ленных районах, поскольку требует меньших площадей, чем эквивалентная фильтрационная система.
Как и в фильтрационные системы, в систему с активным илом были внесены некоторые изменения. Следующие из них связаны с аэрацией.
Градиентная аэрация, приводящая интенсивность аэрации в соответствие с потребностью в кислороде, которая на входе больше, чем на выходе.
Ступенчатая аэрация, при которой по всей длине   тэнка сточные воды поступают с интервалами.
Констактная стабилизация, при которой повторно исполь­зуемый ил аэрируется, что способствует более полной утилиза­ции микроорганизмами любых доступных питательных компо­нентов. Это приводит к более полной ассимиляции отходов при возврате в основные рабочие тэнки. В результате объем ила на стадии аэробного разложения   уменьшается,   и   поэтому в принципе это аналогично увеличению аэрации.
Использование чистого кислорода в закрытых тэнках, ко­торые поэтому могут работать при более высоких концентраци­ях биомассы; таким образом уменьшается время пребывания сточных вод в тэнке и, кроме того, решается проблема «разбу­хания» (избыточного роста нитчатых бактерий и грибов, пре­пятствующего оседанию ила).
Разработка колонного эрлифтного ферментера компани­ей JCI в 1974 г. (рис. 6.2). Он более экономичен,   чем обыч­ный, благодаря уменьшению времени пребывания сточных вод
в тэнке и снижению эксплуатационных расходов.
Колонный эрлифтный ферментер
 
6.2. Колонный эрлифтный ферментер
 
 
Междисциплинарная приро­да биотехнологии.
Рис. 6.3. Микроорганизмы, присутствующие в активном иле. Микрофотографии получены с помощью сканирующего электронного микроскопа и любезно пре­доставлены Дж. Моррисом. A. Epistylis (X1000). Б. Стебельчатые бактерии (Х16000). В. Жгутиковые бактерии (Х5000). Г. Vaginocolidae (X750) Д Ко­лония Epistylis sp. (X350). Е. Vorticella sp. (x1000).
 
Активный ил — это истинно водная среда. Как и в перко-ляционных фильтрах, основная группа бактерий, участвующих в процессе переработки, — это Zoogloea. Считается, что актив­но растет только небольшая часть флокуляционного ила. По сравнению с перколяционными фильтрами в активном иле на­блюдается меньшее экологическое разнообразие. Рост водорос­лей ограничивается недостатком света, а виды и разнообразие присутствующих в иле простейших определяются степенью пе­реработки отходов (рис. 6.3).
Для успешной переработки бытовых и промышленных отхо­дов необходимо точно знать состав и концентрацию стоков. Это служит «руководством к действию»: зная качественные и количественные характеристики среды, можно сразу устано­вить, какой микробный посевной материал необходим для ини­циации работы системы. Часто бывает трудно показать, что именно те микроорганизмы, которых выделяют из систем био­логической переработки отходов, осуществляют окисление при­сутствующих соединений.
Микробиологическое изучение любой системы, использую­щей активный ил, включает: 1) идентификацию микроорганиз­мов и определение их численности; 2) оценку микробиологиче­ской активности как популяции в целом, так и отдельных ви­дов; 3) оценку соотношения между (1) и (2), с одной сторо­ны, и количеством вводимых питательных веществ и продуктов переработки — с другой.
Микробиологическую активность активных илов можно оценивать по приросту биомассы или по интенсивности общего метаболизма; последний включает изменения, происходящие
в среде. Измерения могут проводиться и для какой-то отдель­ной популяции микроорганизмов. Можно показать, что актив­ность ила связана с определенными бактериями, точно подсчи­тать их число и определить метаболическую активность. Далее можно выяснить, в какой мере та или иная специфическая ак­тивность ила определяется конкретными видами бактерий с из­вестными свойствами, и установить, какое влияние оказывают на них неблагоприятные условия, в которых они оказываются :из-за поступления в среду тех или иных питательных веществ или продуктов метаболизма других микроорганизмов. Для сточных вод, поступающих в емкость с активным илом, харак­терны высокие концентрации органических соединений и, сле­довательно, наличие больших количеств хемоорганотрофных видов, например Achromobacter, Flavobacterium, Pseudomonas и Moraxella, а также многих других бактерий. При высоких жонцентрациях неорганических соединений в стоках обнаружива­ются бактерии Thiobacillus, Nitrosomonas, Nitrobacter и Ferrobacillus spp. окисляющие соответственно серу, аммиак и желе­зо. Эти организмы были выделены из систем для переработки отходов и идентифицированы с помощью методов селективных культур. В ходе этих работ важно установить, играют ли ка­кие-либо виды главенствующую роль в тех процессах, которые протекают в активном иле. Этот аспект часто недооценивается, особенно небиологами. Нередко бывает трудно однозначно установить роль того или иного микроорганизма. Например, ес­ли из системы по переработке отходов выделены Tbiobacillus, окисляющие соединения серы, то это еще не означает, что вся .активность такого рода определяется именно этими микроорга­низмами: частичное окисление ряда соединений серы осущест­вляют и виды Pseudomonas.
Взаимосвязи между организмами, участвующими в катаболизме органических и неорганических субстратов, имеют важ­ное значение для регуляции процессов, происходящих в актив­ном иле. Промежуточные продукты метаболизма у одного вида бактерий способы оказывать влияние на процессы деградации у другого. Например, известно, что фенол подавляет активность организмов, окисляющих аммиак: он может ингибировать этот -окислительный процесс даже при столь малых концентрациях, как 3—4 м. д.
Промежуточные продукты расщепления бензойной кислоты до катехола, сукцината и ацетата ингибируют образование ферментов, участвующих в начальных этапах расщепления. Катехол и сукцинат подавляют синтез ферментов, разрушающих -бензоилформиат и бензальдегид, по механизму обратной связи, .а ацетат действует как катаболитный репрессор: наличие про­стого органического соединения подавляет расщепление более сложных молекул до тех пор, пока это более простое соедине­ние не будет использовано. Когда ингибирование снимается,, синтезируются новые ферменты, ответственные за расщепление более сложных ароматических структур. На практике при на­личии в отходах гомологичных рядов каких-либо соединений необходимо образование ферментов, способных справиться с расщеплением самой сложной молекулы данного ряда. Полное расщепление таких соединений должно происходить в течение определенного минимального времени удержания (нахожде­ния отходов в реакторе) в процессе переработки. Следователь-но, можно предсказать, какая обработка потребуется для окисления фенольных соединений; например, чем сложнее бо­ковая цепь молекулы, тем больше времени необходимо для: ферментативного разрушения этого вещества.
Эффективность данного процесса можно повысить, изучив; механизмы регуляции метаболизма в микрофлоре систем с ак­тивным илом. Регуляция биодеградации — это сложная зада­ча. Однако, зная биохимию соответствующих процессов, мы по-видимому, сможем вмешиваться и в их регуляцию. Напри­мер, добавление к илу промежуточных продуктов цикла три-карбоновых кислот в низких концентрациях (2—5 мг/л), глю­козы, аминокислот и витаминов (в частности, аланина и нико­тиновой кислоты) приводит к ускорению окисления ряда соединений. Введение этих промежуточных продуктов в состав-, биомассы увеличивает энергетические потребности системы,, стимулирует синтез АТР за счет усиленного окисления неорга­нических веществ типа серы или аммиака. Понимание биохи­мии подобных процессов, видимо, даст возможность вмеши­ваться в процессы регуляции метаболизма.
Задача микробиолога-биотехнолога при разработке методов: очистки сточных вод состоит в более полном изучении и учете взаимосвязи между активностью микроорганизмов, образовани­ем хлопьев ила и производительностью установки по перера­ботке отходов. В этом смысле превращения в системе активно­го ила следует рассматривать в основном как окислительные-процессы во влажной среде, сопровождающиеся увеличением-объема ила, которое можно расценивать как вредное или по­лезное (последнее — когда ил используется повторно). Совер­шенно очевидно, что биологический способ переработки приго­ден для множества различных органических и неорганических соединений и устраняет их вредное воздействие на окружаю­щую среду.
Акт о защите среды от загрязнений от 1974 г. по мере прет­ворения его в жизнь будет оказывать все возрастающее влия­ние на технологию очистки сточных вод. Термин «биодеграда­ция» используется сейчас очень широко, но имеет множество толкований. Иногда под биодеградацией понимают полную ми­нерализацию какого-либо соединения микроорганизмами с об­разованием углекислого газа, сульфата, нитрата и воды; это одна крайность. Другая крайность состоит в том, что данный термин используют применительно к незначительным измене­ниям соединений, приводящим к утрате некоторых характер­ных их свойств. Стандартные методы оценки деградации по­зволяют определить термин «биодеградация» следующим обра­зом: 1) первичная деградация, при которой характерные свой­ства исходного соединения утрачиваются и перестают выяв­ляться специфическими химическими тестами; 2) допустимая для окружающей среды биодеградация, при которой происхо­дит минимальное изменение исходного соединения, необходимое для утраты его свойств (оба этих определения основаны на произвольных критериях и поэтому неточны); 3) окончательная биодеградация, включающая полное превращение исходного соединения в неорганические конечные продукты и связанная с нормальными процессами метаболизма микробов.
В ходе изучения деградации широкого круга органических веществ были выделены микроорганизмы, способные к разру­шению весьма необычных соединений (рис. 6.4 и 6.5).