1. Автотрофни организми използват външни източници на енергия



Дата11.01.2018
Размер94.21 Kb.
Характерна особеност на съвременното, научно и технологично развитие е използването на биотехнологичните продукти в различни отрасли. Биотехнологията и по конкретно безотпадъчните технологии имат голямо социално-икономическо значение. Благодарение на свойствата на биологичните системи, да синтезират и трансформират  практически всички природни субстрати, бе създадена технология за пречистване на отпадъчни води от бита и индустрията.Биологичните процеси протичат в природата и в изкуствено създадените системи по един и същи начин, но при изкуствените биосистеми се мултиплицират процесите по предварително създадена технология и методика за нейното практическо приложение. Биотехнологията на водата е различна в отделните етапи на пречистването на  отпадъчните води и по-доброто познаване на процесите би довело до по-ефективно използване на биотехнологията и снижаване на разходите за пречистване на отпадъчни води.Първото и може би най-важно, са условията необходими за развитие на микроорганизмите.  Под понятието “условия за развитие на микроорганизмите” се разбира съвкупност от физични, физикохимични, химични и други фактори, които влияят върху живота и размножаването на микроорганизмите. Условията за развитие на микроорганизмите се определят от енергийните източници, хранителните вещества, кислородния и температурен режим, рН-фактори, осмотично налягане, повърхностното напрежение на водата, разбъркване /турбуленция/ на потоците и др. За да живеят и се размножават микроорганизмите имат нужда от енергия. Според вида на енергийния източник, микроорганизмите се делят на:
1. Автотрофни организми – използват външни източници на енергия
/ светлина, външни за тях неорганични вещества/.
2. Хетеротрофни организми – използват енергията получена от разграждането на приети с храната и включени в тях органични съединения.
Съществуват и смесенотрофни организми, при които се използват и двата типа енергийни източници.За поддържане на живота на микроорганизмите са необходими, освен енергия и хранителни вещества / биогенни елементи /. Основните биогенни елементи са: въглерод, водород, кислород, азот, фосфор, сяра. Към групата на биогенните елементи спадат още калий, натрий, калций, магнезий, желязо, кобалт, молибден, мед, цинк, така наречените микронутриенти, количеството на които в микроорганизмите е от 10 до 100 пъти по-малко от това на основните биогенни елементи. Някои микроорганизми изискват, освен хранителни вещества, също така и специфични органични вещества, без наличието на които те не могат да нарастват. Тези вещества общо се означават, като фактори на нарастването. Това са витамините, аминокиселоините, амините, висшите мастни киселини, някои хетероцикленни съединения.Другото важно условие за развитието на микробните съобщества е наличието на кислород. Въз основа на това, дали във водата се съдържа разтворен кислород, се различават аеробни / в присъствие на кислород/ и анаеробни / в отсъствие на кислород/ процеси. Като междинен процес се явяват така наречените аноксипроцеси, които протичат в случаите когато отсъства разтворен кислород, но се използва химически свързаният кислород в нитратите и нитритите.
При анаеробни процеси, степента на получаване на енергия е ниска и клетката получава енергия от окислително – редукционните процеси в които вземат участие акцептори или донори на електроните, които имат основно органичен характер / процес на ферментация / или са от органичен или неорганичен характер / анаеробно дишане /.
Процесите, които се развиват естествено в еднообемните септични ями са анаеробни и затова те се класифицират като недостатъчно ефективни за трансформиране на натрупаните органични отпадъци в тях. С цел повишаване на ефективността на биотрансформацията се препоръчва в такива случаи да се промени процеса от анаеробен в аеробен, посредством прибавянето към съществуващата биомаса в септичната яма специално селекционирани високо продуктивни аеробни бактерии, комбинирани с няколко вида ензими, липази за разграждане на мазнини, протеази за разграждане на протеини / каквито са месото и млякото/, амилази за разграждане на нишесте /основен компонент в картофите, хляба и ориза/ и целулаза за разграждане на целулозата от тоалетната хартия.   Молекулата на целулозата има множество късички разклонения, всяко от които завършва с по една хидрооксилна група /ОН/ и при нейното разрушаване се отделя кислород, който служи за поддържане на аеробните процеси.Подходящия продукт за третиране на еднообемни септични ями е БИО-МАКС 3112, при стриктно спазване на технологията.
Анаеробното пречистване на отпадъчни води /метанова ферментация/ е актуално само в случаите, когато то е част от цялостен технологичен процес на пречиствателна станция или когато се използва методика за производство на биогаз. В практиката обаче, този процес се счита за доста капризен и неустойчив. Причините за това са в сложната му природа / развитие на различни видове микроорганизми в сложни взаимоотношения по между си/ и някои не добре изучени страни на неговата биохимия и микробиология.
Повечето от известните модели на метанова ферментация са сведени до типа характерен за непрекъснатите биотехнологични процеси. Известно е също така, че за разлика от класическите ферметационни процеси анаеробното разграждане е типичен многостадиен процес протичащ с участието на няколко различни групи микроорганизми. Поради това този процес е труден за контролиране и трябва да се избягва особено в случаите, когато става въпрос за септични ями на жилищни или  други сгради, където няма специално подготвен персонал да обслужва и извършва необходимите мероприятия за контрол на пречистване на отходните води.
Далеч по-ефективни са многостъпалните пречиствателни станции в които се развиват хетеротрофни асимилационни процеси, при които се асимилират органичните замърсители, намиращи се във водата. При това се получава нова клетъчна маса и крайни продукти на окислението - въглероден двуокис, вода и амоняк. За това в предхождащия процес на пречистването се извършва нитрификацията - амоняка съдържащ се в отпадните води се превръща в нитрити или нитрати. Необходимстта от намаляване на концентрацията на амоняк в отпадъчните води се дължи на неговата
токсичност спрямо живите организми и на значителната консумация на кислород при нитрификацията на амоняк във водоприемника.
Другия много важен процес е денитрификацията. При него кислородът, свързан в нитратите и нитритите, може да бъде използван при недостиг на молекулен кислород за дишане на хетеротрофните микроорганизми. По този начин се осъществява денетрификация на водата.Дефосфатационни процеси - при определени условия някои микроорганизми са способни, да акумулират фосфатите в количество, което надвишава тяхната физиологична нужда (например Acinotobacter, Nocardia и др.). Тази възможност може да бъде технологично използвана за от­страняване на фосфатите от отпадъчните води по биологичен път. Дефосфатизацията се провежда съвместно с процесите на биологич­на нитрификация и денитрификация. При това рециркулиращата био­маса преминава последователно през анаеробната и аноксична зона, където фосфатите се освобождават (преминават) от клетките във водата и след това тя преминава през аеробната зона, където излишният фосфат се консумира.
Десулфатационни процеси - подобно на кислорода, свързан в нитратите и нитритите, мо­же да бъде използван и кислородът, който е свързан със ся­рата. Това е един процес, който в по-далечната си фаза е анаеробен и се осъществява от така наречените десулфориращи бак­терии (облигатни анаероби). Тези бактерии са способни да получават енергия само от ограничен брой органични субстра­ти, например от млечната киселина, от четири въглерод-дикарбоксикиселините (фумарова, янтарна и ябълчена) и др.
Продукт на редукцията на сулфатите е сероводородът H2S, който може да бъде след това окислен по микробиологичен път до елементарна сяра.
Метанизационни процеси - механизацията използва редица микробиологични процеси, при които се разграждат органичните вещества и се редуцират не­органичните съединения до следните крайни продукти: СН4, Н2, СО2, NH3, H2S, и до стабилни органични вещества от хумусов тип.
Метанизацията се използува за анаеробна стабилизация на органичните утайки, получени при пречистването на отпадъчните води преди тяхното по-нататъшно използуване. В последно време във връзка с малките енергетични нужди метанизацията все повече се използува за пречистване на по-концентрирани, производствени, отпадъчни води, например от химичес­ката и хранително-вкусовата промишленост, животновъдството и др.
За протичане на процеса на метанизация имат дял факултативно аеробните и анаеробните микроорганизми. За сега са описани повече от 50 вида бактерии, които принадлежат към 20 рода, между които 12 вида бацили, например Вас. cereus, Вас. magalerium, 9 вида от род Pseudomonas, 5 вида от рода Micrococcus, 2 вида от рода Sarcina и други. Освен това са описани 35 вида дрожди, гъби и плесени, първаци и др. Най-простите продукти, получени от метанизацията, са киселините (мравчената, оцетната и пропионовата), алкохолите (метанола, етанола), метиламинът, Н2, СО2, и СО, които са изходен продукт за образуване на метана СН4. Това превръщане се извършва от анаеробни видове, т. нар. метанови бактерии, например Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina.
Детоксикационни процеси - в някои случаи е необходимо да се проведе самостоятелна детоксикация на отпадъчните води. Този процес може да се осъ­ществи, чрез сорбция на токсичните вещества върху биологичната маса или чрез разграждането им. Като самостоятелен процес детоксикацията обикновено е недостатъчна. Ето защо тя се при­лага, като част от технологичната схема за пречистване, независи­мо от това, че може да бъде отделена по място, например локалното пречистване на производствените отпадъчни води преди заустването им в градската канализация. В този случай детоксикацията може да се извърши чрез биотехнологичен процес (например биологичното отстраняване на CN-, фенол, формалдехид и други), независимо че физичните и физикохимичните процеси на детоксикация се използват по-често.Друг пример е детоксикацията на утайки. Чecтo пъти в канализационните мрежи заедно с отпадъчните води постъпват тежки метали (от бита или от промишлеността), които обикновено се акумулират в утайките, получени при пречистването на отпадъч­ните води. Те могат да бъдат отстранени в кисела среда. За та­зи цел се използуват серните бактерии (Thiobacillus thiooxidans,. Thiobacillus ferrooxidan), които в аеробни условия окисляват сулфидната и пиритната сяра, при което се получава сярна киселина.Същността на биологичното пречистване на отпадни води в аеробни условия се състои в използването на хетерогенна популация от микроорганизми, които консумират многокомпонентен субстрат. В качеството на субстрат, който служи за храна на микроорганизмите, се явява органиката от отпадните води. Микроорганизмите имат способността да усвояват най-разнообразни вещества като източник на енергия и хранителни компоненти, като част от органичните вещества се окисляват, а друга се трансформира в биомаса. В естествени условия микроорганизмите съществуват под формата на асоциации, представляващи смес от бактерии и първаци (активна утайка). В активната утайка могат да се идентифицират различни бактерии, които могат да се обединят в три основни групи: въглеродоокисляващи флокулообразуващи бактерии; нишковидни въглеродоокисляващи бактерии и бактерии нитрификатори. В резултат на обменните процеси с околната среда и вътреклетъчния метаболизъм се осъществява растеж, развитие и размножаване на активната утайка. Върху кинетичната крива на растеж могат да се разграничат шест участъка, представляващи шест фази на развитие, всяка от които се характеризира с индивидуални условия за съществуване на бактериалната култура и различни параметри на растежа и. За пречистване на отпадни води се използват, главно фазите на експоненциален растеж и линейно нарастване, тъй като през този период се извършва консумация на субстрата.Най-общо процесът на разграждане на органичните вещества с активна утайка протича в две фази: въглеродна и дишане. През първата фаза (трае около 20 дни при температура 20 °С) се разлагат органичните съединения, съдържащи въглерод. След изчерпване на  въглерода като източник на храна, настъпва втората фаза. Дишането е окислителен процес, при който се отделя енергия, която от своя страна се използва за синтез на клетъчен материал. При отсъствие на подходящ субстрат, енергията може да бъде получена от окисление на вътреклетъчния материал или т.нар. самоокисление. В процеса на самоокисление, клетката се разрушава.Водата в съприкосновение с въздуха съдържа кислород в равновесна концентрация, която зависи от атмосферното налягане, температурата и съдържанието на разтворените във водата органични и неорганични вещества, способни да свържат кислорода (да се окисляват).Колкото по-високи стойности за разтворен кислород имат повърхностните води, толкова по-добра е водата в санитарно-хигиенно отношение.Най-разпространеният показател, оценяващ концентрацията на органичните вещества в отпадните води е показателят БПК5 (биологична потребност от кислород). Той се равнява на количеството разтворен кислород, който се изразходва за биохимичното окисление на единица обем отпадни води при 20 С за 5 дни.За по-пълно оценяване на качеството на отпадните води се използва показателя ХПК (химична потребност от кислород). ХПК е количеството кислород, необходимо за пълно окисляване на всички органични и неорганични вещества съдържащи се в отпадните води при използване на окислител - калиев биохромат.Разликата между БПК и ХПК е, че докато ХПК отразява наличието и разлагането на неорганични и органични примеси по чисто химичен път в отпадните води, БПК отразява разлагането на органичните примеси по биохимичен път с помощта на аеробни микроорганизми.Отношението БПК/ХПК е важен показател при избор на метод на пречистване. Ако БПК/ХПК > 0.5 трябва да се приеме биологичен начин на пречистване, а ако БПК/ХПК < 0.5 се прилагат физикохимични методи за пречистване.Същността на биологичното пречистване на отпадни води се състои в използването на хетерогенна популация от микроорганизми, които консумират многокомпонентен субстрат. В качеството на субстрат, който служи за храна на микроорганизмите, се явява органиката от отпадните води.Микроорганизмите имат способността да усвояват най-разнообразни вещества, като източник на енергия и хранителни компоненти, като част от органичните вещества се окисляват, а друга част се трансформират в биомаса. В естествени условия микроорганизмите съществуват под формата на асоциации, представляващи смес от бактерии и първаци (активна тиня). В активната тиня могат да се идентифицират различни бактерии, които могат да се обединят в три основни групи: въглеродоокисляващи флокулообразуващи бактерии, нишковидни въглеродоокисляващи бактерии и бактерии нитрификатори.


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница