🗊Презентация Прирост биомассы и потребление кислорода в процессе очистки сточных вод

5.2.5. Прирост биомассы и потребление кислорода в процессе очистки сточных вод

Основные факторы, определяющие скорость потребления кислорода Величина биомассы, скорость роста и физиологическая активность клеток; Вид и концентрация питательных веществ; Накопление токсичных продуктов обмена веществ; Количество и природа биогенных веществ; Содержание кислорода в сточной воде.

Процессы, обеспечивающие существование микроорганизмов Процессы дыхания (экзотермические процессы) – окисление органических веществ и окисление клеточного материала; Процессы питания (эндотермические процессы) – синтез бактериальных клеток.

Схемы химических реакций Окисление органических веществ Окисление клеточного материала Синтез бактериальных клеток

Окисление углеводородов Углеводороды – «биологически жесткие» вещества; Микроорганизмы адаптируются практически к любому виду углеводородов; Углеводороды с малым молекулярным весом окисляются быстрее, чем с большим; Углеводороды с разветвленной углеродной цепью окисляются хуже, чем с неразветвленной; Циклопарафиновые и ароматические углеводороды менее доступны микроорганизмам, чем углеводороды с прямой и разветвленной цепями; Некоторые углеводороды окисляются только в сочетании с другими веществами; Конечные продукты окисления – органические кислоты различного строения. Жирные кислоты преобразуются с образованием уксусной кислоты (СН3СООН) при четном числе атомов углерода в исходной кислоте и с образованием уксусной и пропионовой (С2Н6СООН) кислот при нечетном числе атомов углерода. Продукты окисления жирных кислот используются микроорганизмами на прирост биомассы и энергетические нужды, включаясь в дыхательные циклы;

Окисление углеводородов (продолжение) Промежуточные продукты окисления – метилкетоны, эфиры, эпоксиды, спирты, альдегиды. Их природа зависит от строения исходного углеводорода (например: при окислении углеводородов, содержащих не более 10 атомов углерода, образуются метилкетоны, а при окислении углеводородов, содержащих более 10 атомов углерода, - эфиры). Альдегиды и спирты нормального строения хорошо окисляются. Вторичные спирты более устойчивы к окислению, чем первичные, и для их окисления требуется адаптированная микрофлора, третичные спирты обладают высокой устойчивостью к биохимическому окислению. Одноатомные и двухатомные фенолы и крезолы слабо устойчивы по отношению к адаптированным микроорганизмам. Хлорфенолы ведут себя аналогично фенолам. Некоторые многоатомные фенолы устойчивы к биохимическому окислению и разрушаются, в основном, химическим путем. Кроме того, увеличение блины боковых цепей затрудняет разложение фенолов.

Окисление органических кислот Легко окисляются биохимическим путем; Жирные кислоты с длиной углеродной цепи от С2 до С15 легко усваиваются микроорганизмами, а для окисления кислот с длиной углеродной цепи С16 и более требуется период адаптации; Уксусная кислота – лучший субстрат для микроорганизмов; Муравьиная кислота повышает скорость потребления других кислот, но сама при этом используется микроорганизмами только как источник энергии; Чем длиннее углеродная цепь, тем ниже скорость окисления кислоты. При этом скорость окисления не зависит от характера катиона; Двухосновные кислоты, за исключением янтарной (СН2СООН – СН2СООН), окисляются хуже, чем одноосновные, и способность их к усвоению микроорганизмами ухудшается от янтарной к яблочной (СНОНСООН – СН2СООН) кислоте. При этом щавелевая кислота (СОСООН – СНСООН) служит только источником энергии;

Окисление органических кислот (продолжение) Различия в поглощении органических кислот обусловлены проницаемостью клеточных оболочек и степенью диссоциации кислот; Свободная кислота оказывает токсическое действие на микроорганизмы; Энергетически распад органических кислот стоит на втором месте после углеводородов.

Окисление углеводов и близких к ним веществ Наиболее легко поглощаются микроорганизмами; Моносахариды особенно хорошо окисляются, дисахариды обладают меньшей скоростью окисления; Углеводы используются микроорганизмами в качестве источников энергии, исходного материала для синтеза клеточного вещества, а также могут просто накапливаться в клетках. При использовании углеводов в качестве источников энергии осуществляется путем их трансформации в органические кислоты, которые и окисляются в дальнейшем. При накоплении углеводов в бактериальных клетках они выполняют роль регуляторов внутриклеточных обменных процессов.

Степень использования органических веществ для синтеза клеточного материала Углеводороды – 65…85 %; Спирты – 58…66 %; Аминокислоты – 32…68 %; Органические кислоты – 10…60 %; Углеводы – 10…30 %.

Необходимость минимизации прироста биомассы Обусловлена следующими причинами: чем больший процент веществ, содержащихся в сточной воде, подвержен полному окислению, тем больше их удаляется из стока, следовательно, тем выше прирост биомассы; приросшая биомасса является загрязнением, которое можно удалить затратив значительные средства.

Роль ферментов в процессе биохимического окисления органических веществ Снижение энергетического барьера, который необходимо преодолеть микроорганизмам для разрушения органических веществ. Степень снижения этого барьера зависит от степени сродства клеточных ферментов и содержащихся в воде органических веществ. В первую очередь будут потребляться те вещества, энергетический барьер у которых ниже, т.к. в этом случае затраты энергии со стороны клетки будут меньшими.

Возможные варианты изъятия веществ из сточных вод Все вещества, присутствующие в сточной воде, потребляются микроорганизмами одновременно и с примерно одинаковыми скоростями. Продолжительность аэрации определяется скоростью реакции биохимического окисления и общей концентрацией веществ; Все вещества потребляются одновременно, но с сильно различающимися скоростями. Продолжительность очистки также еще зависит от соотношения концентраций отдельных веществ и скоростей их окисления и определяется скоростью самой медленной реакции; Все вещества потребляются последовательно. Продолжительность очистки определяется как сумма продолжительностей окисления каждого вещества в отдельности.

Ферментативная реакция Схема реакции Концентрация комплекса «фермент – субстрат»

Ферментативная реакция (продолжение) Скорость образования продукта (уравнение Михаэлиса-Ментен) Или при

Ферментативная реакция (продолжение) Скорость роста биомассы (уравнение Моно)

Синтез белков Схема реакции

Синтез белков (продолжение) Скорость реакции синтеза белков Условие сбалансированного роста биомассы

Синтез белков (продолжение) Следовательно:

Синтез белков (продолжение) Отсюда:

Синтез белков (продолжение) Содержание РНК в первом приближении Удельное содержание белков

Синтез белков (продолжение) Тогда: Учитывая, что: Будем иметь:

Прирост биомассы Условие, при котором содержание РНК в биомассе и скорость роста биомассы достигают максимума Предел активности РНК Соотношение между приростом биомассы и количеством субстрата

Прирост биомассы (продолжение) Скорость прироста биомассы

Прирост биомассы (продолжение) Соотношение между количеством потребляемого субстрата и приростом биомассы Учитывая, что:

Прирост биомассы (продолжение) Получим: или

Прирост биомассы (продолжение) Продолжительность аэрации или

Прирост биомассы (продолжение) Приняв: получим