Биохимическая кинетика. 
Теоретические основы защиты окружающей среды

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; v_max — максимальная скорость реакции; [S] - концентрация субстрата; К_м — 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 ?_v — объемный коэффициент массоотдачи, с^-1; V — объем сточной воды в сооружении, м; С_р, 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.

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 (БПК_полн? 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%.