Биореакторы

Микроорганизмы выполняют в промышленности функцию основных минерализаторов органических соединений и ведущую роль в круговороте всех биоэлементов. Производство, применение и минерализация органических соединений поддерживаются в относительно стабильном равновесии.

Для разлагающей активности микроорганизмов в промышленных биореакторах характерна четкая регуляция, которая возрастает при поступлении субстрата (микробный рост) и снижается по мере его исчерпания. Адаптивная способность микрофлоры возрастает по мере увеличения нагрузки, ограничиваясь лишь минерализующим потенциалом почвенных и водных микроорганизмов.

Системы очистки сточных вод разрабатываются с начала ХХ-го века. Поля орошения, фильтры, установки для аэробной очистки применялись, главным образом, для предотвращения загрязнения питьевой воды патогенными микробами.

Сегодня доступна разработка чувствительных аналитических методов, позволяющих выявлять загрязнения в воде, воздухе и почве, что стало началом работ по очистке воды, воздуха и почвы с помощью микробных процессов. Микробные клетки и ферменты применяются при разработке сенсоров для измерения и поиска загрязнений, а также тех или иных метаболитов в микробиологических производствах. Например, извлечение металлов из бедных руд с помощью хемолитотрофов.

Биологическое потребление кислорода (БПК)

В технологиях очистки сточных вод используется ряд параметров, одним из которых является биологическое потребление кислорода БПК. Он служит показателем общего количества содержащихся в сточных водах органическим и неорганических загрязнений, окисляемых микроорганизмами.

Анализатор БПК, ХПК, общего органического углерода в воде используется
для мониторинга сточных вод и контроля процесса очистки и дезинфекции

Так как на практике невозможно детально проанализировать органическую фракцию в составе сточных вод, по значению БПК оценивают общее количество кислорода, которое потреблялось бы при сбросе сточных вод без очистки.

Для определения значений БПК (мг О2/л или кг сточных вод) пробы сточных вод инкубируют в биореакторе со смешанным сообществом микроорганизмов, например активным илом, и измеряют поглощение кислорода в течение 5 суток (БПК5) при постоянной температуре. За это время происходит окисление органических соединений, аммиак окисляется позже и его содержание БПК5 не отражает.

Для промышленного применения существуют автоматизированные системы определения степени загрязнения воды. Если состав сточных вод известен, то потребление кислорода при очистке можно рассчитать по уравнениям соответствующих реакций. Например, когда органическую составляющую сточных вод составляют в основном фракции углеводов и белков, величина БПК примерно соответствует количеству сухого вещества растворенных и суспендированных загрязнений. При более высокой степени восстановления компонентов загрязнений (жиры, липиды, углеводороды) значения БПК выше.

Величина БПК служит основным критерием для экономической оценки затрат на очистку сточных вод промышленного предприятия. Ниже приведены типичные значения БПК для предприятий различных отраслей.

Отраслевое происхождение сточных водБПК, мг О2 / л
Бытовые стоки300 — 550
Химическая промышленность1000 — 50 000
Пивоварение, переработка фруктов10 000 — 20 000
Сахарная и ликеро-водочная промышленность50 000 — 100 000
Бумажная и текстильная промышленность80 000 — 100 000
Мясобойни80 000 — 150 000

Химическое потребление кислорода (ХПК)

Этот параметр означает количество кислорода (также мг О2/л или кг сточных вод), требуемого для полного химического окисления компонентов сточных вод до СО2, например путем окисления бихроматом калия в концентрированной серной кислоте при 160 0С.

ХПК характеризует полное химическое окисление, тогда как БПК — только окисление компонентов, которые доступны для разложения биологическими объектами за данное время инкубации в биореакторе. Различие между этими двумя показателями соответствует той части органического вещества и неорганических компонентов, которые не могут быть эффективно окислены в результате микробной активности.

Летучее суспендированное твердое вещество (ЛСТВ)

Этот параметр характеризует часть общего суспендированного материала сточных вод, которая улетучивается при сжигании (600 — 650 0С). Это суспендированные вещества в виде частиц, а также живая биомасса. Вместе с золой (минеральными солями) ЛСТВ составляет общее суспендированное твердое вещество ОСТВ.

Величина ЛСТВ связана с метаболическими характеристиками содержимого биореатора. Например, скоростью потребления кислорода и скоростью образования метана.

Процессы биодеградации в промышленных установках очистки сточных вод

При попадании в чистый водоем сточных вод происходит следующая типичная последовательность событий. Из-за поступления большого объема разлагаемых органических соединений в воде резко падает количество кислорода и возрастает численность микроорганизмов.

Динамика биодеградации при загрязнении чистой воды сточными водами.
Стрелкой указан момент загрязнения

При разложении сложного органического вещества происходит выделение аммиака, который далее окисляется до нитрата только после почти полного исчерпания органического вещества и возрастания содержания в воде кислорода.

Сообщество микроорганизмов уничтожается простейшими, численность которых при этом возрастает, а количество бактерий постепенно снижается. Содержание различных форм связанного азота и фосфата возрастает, начинается массовое развитие водорослей и высших водных растений, содержание кислорода растет.

В биореакторе промышленной установки для очистки сточных вод моделируется аналогичная цепь событий, что и в водоеме при его загрязнении. Благодаря интенсивной аэрации интенсифицируется разлагающая активность аэробных микроорганизмов, образующих многочисленное и разнообразное микробное сообщество и полностью разлагающее органический состав сточных вод. В современных установках для очистки сточных вод из них удаляются не только органические соединения, но и связанный азот и фосфат.

Предварительный этап механической очистки сточных вод

В соответствии со значениями БПК для сточных вод полное микробное окисление их компонентов требует интенсивной аэрации, поскольку содержание кислорода в чистой воде на воздухе составляет лишь 10 – 12 мг О2 / литр.

При начальной механической очистке отсеиваются основные включения. Здесь применяются фильтры механической очистки. Суспендированный материал либо осаждается на дно (седиментация), либо всплывает (флотация жиров и масел) и в результате на этом этапе удаляется до 30% общей массы загрязнений.

Основной этап биологической очистки сточных вод

Центральный этап эффективной очистки сточных вод – это биологический этап, в большинстве установок для очистки сточных вод осуществляемый с помощью так называемого активного ила в интенсивно аэрируемом биореакторе, содержимое которого перемешивается с помощью интенсивного продувания воздуха и перемешивания.

Активный ил представляет собой сложное микробное сообщество, поддерживаемое в виде непрерывной культуры в активном состоянии с высоким сродством к субстратам. Возврат в биореактор биомассы активного ила повышает эффективность разложения субстрата, а также содействует поддержанию в нем медленнорастущих микроорганизмов.

Подачу воздуха в биореактор регулируют таким образом, чтобы поддержать уровень кислорода в иле на уровне 10 – 40% насыщения воздухом. Растворенное и суспендированное вещество сточных вод окисляется комплексной микрофлорой, что удаляет до 99% органических загрязнений.

Очищенную воду и активный ил, состоящий в основном из микробной биомассы, разделяют в отстойнике, из которого вода поступает на дальнейшую химическую очистку для удаления фосфата.

Рециклинг активного ила в биореакторах очистки сточных вод

Микробная биомасса эффективно осаждается, и 70 – 95% ее возвращают обратно в биореактор. Эта рециклизация активного ила, отличающая способ его развития от системы непрерывного культивирования в лабораторном масштабе, отвечает трем важным целям.

  1. В процессе рециклизации ила время удержания ила и время удержания воды различны. Время удержания воды составляет 4 – 12 часов, а время удержания ила варьируется от нескольких суток до нескольких недель, что обеспечивает жизнедеятельность медленнорастущих микроорганизмов.
  2. Рециклизация ила позволяет существенно увеличивать объем активной биомассы в биореакторе по сравнению с концентрацией поступающего субстрата. Это обеспечивает повышение скорости окисления для поддержания микрофлоры в активном состоянии.
  3. Рециклизация ила обеспечивает эффективность его осаждения, поскольку те организмы, которые быстро осаждаются, поступают обратно в систему, тогда как микробы, которые остаются суспендированными в очищенной воде из нее выходят. Развитие активного ила в биореакторе зависит от эффективности его осаждения, одного из ключевых механизмов регуляции этой системы.

Поддержание баланса активного ила в системах биологической очистки

Эффективность системы биологической очистки обеспечивается поддержанием баланса между объемом рециклизации и объемом избыточного ила, удаляемого из биореактора. При недостаточном объеме рециклизации снижается микробное разнообразие популяции в активном иле, так как эти условия благоприятны только для быстрорастущих организмов и отрицательно влияют на эффективность осаждения. Избыточная рециклизация приводит к избыточному накоплению ила и снижению метаболической активности.

Простейшие, питающиеся свободноплавающими бактериальными клетками, способствуют избирательному развитию бактерий, образующих агрегаты и поддерживают численность свободноплавающих бактерий в очищенной воде на низком уровне.Эти питающиеся бактериями организмы помогают поддерживать эффективность осаждения активного ила и выполняют функцию оздоровления очищенных сточных вод, удаляя возможные патогенные формы. Предполагается, что простейшие не только способствуют преобладанию бактерий, образующих агрегаты, поедая свободно плавающие клетки, но и выделяют сигнальные соединения, вызывающие прикрепление бактерий к поверхностям биореактора.

Переработка избыточного активного ила

Избыток активного ила, вместе с материалом, собранном во втором резервуаре биореактора для осаждения, или подвергают анаэробной постобработке, или непосредственно вывозят на сельскохозяйственные поля.

В анаэробном реакторе биомасса активного ила и другие компоненты , доступные для разложения, превращаются в метан и диоксид углерода, при среднем времени удержания 3 — 5 недель и температуре 30 — 35 0С. Есть метод разложения активного ила термофильными бактериями при 50 — 65 0С, при котором процесс завершается уже через 2 — 3 недели благодаря более высокой метаболической активности термофилов по сравнению с мезофилами. Но эта методика требует дополнительных расходов на изоляцию содержимого биореактора от контакта с атмосферным воздухом и на нагревание.

Образующаяся при повышенной температуре смесь газов — так называемый биогаз — содержит 65 — 70% CH4 и 25 — 30% CO2. Часть полученного биогаза используется для поддержания температуры в биореакторе, остальное используется в качестве биотоплива. На установке очистки сточных вод средних размеров использование этого газа может обеспечивать до 100% энергии, необходимой для подачи воздуха в биореактор.

Альтернативные способы очистки сточных вод в биореакторах

Для небольших объемов очистка сточных вод с помощью активного ила может быть неприменимой. В качестве альтернативного способа используют пропускание предварительно обработанных сточных вод через фильтры из дробленого пористого камня или шлака (б). На поверхности этих фильтров развивается сложная по составу биопленка из бактерий и других организмов, в том числе грибов, разлагающая растворенное органическое вещество, причем эффективную очистку осуществляют только прикрепленные микроорганизмы.

Микрофлора таких биопленок в фильтрах может быть совершенно разнородной по составу, разложение ею субстратов может быть возможно в аэробных условиях, при ограниченном доступе кислорода и в анаэробных условиях. Наиболее активный верхний слой таких биопленок имеет толщину около 200 мкм.

В качестве конструктивного исполнения фильтра можно применять каналы окисления, в которых сточные воды перемешиваются вращающимися дисками (в), покрытыми активными биопленками.

Альтернативный метод очистки, используемый на сельскохозяйственных территориях, состоит в том, что сточные воды пропускают через обширную тростниковую гряду (а). Растения тростника обеспечивают аэрацию благодаря своей системе воздухообмена, что снабжает комплексное микробное сообщество кислородом. Органическое вещество разлагается отчасти аэробно, отчасти анаэробно, причем часть образуемого микроорганизмами метана высвобождается в атмосферу через растения.

Удаление азота

Основная цель очистки сточных вод состоит в удалении органического углерода. Дальнейший этап — это окисление NH3 и удаление растворенного связанного азота для предотвращения расхода кислорода в природной воде, куда сбрасываются сточные воды.

Цикл соединений азота в природе

Аммиак, выделяющийся при разложении белка и гидролизе мочевины в биореакторе, окисляют до нитрита, а затем до нитрата нитрифицирующие бактерии. Поскольку развитие этих бактерий обычно подавляется растворенным органическим веществом, полная нитрификация может быть достигнута только при его низком содержании в биореакторе или на отдельной стадии аэрации после процедуры отстаивания. Образующийся нитрат в анаэробных условиях может восстанавливаться до N2 в процессе денитрификации.

Кроме анаэробных условий для этого необходимо присутствие неорганических или органических доноров водорода, которые добавляют в биореактор в виде химических веществ (водород, метанол, этанол), либо вводят с некоторым количеством сточных вод. Пользу денитрификации для очистки воды считают сомнительной, поскольку поверхностные воды обычно бедны фосфатом и нитрат может служить альтернативным акцептором электронов в осадках водоемов.

Недавние исследования показали, что не следует понимать нитрификацию и денитрификацию как взаимоисключающие процессы. Оба процесса могут происходить одновременно в условиях дефицита кислорода, когда содержимое биореактора плохо перемешивается и даже возможно некоторое накопление фосфата в биомассе.

Связанный азот удаляется из сточных вод в результате окисления аммиака до нитрата и восстановления нитрата до молекулярного азота. Эти процессы окисления и восстановления могут происходить в одном и том же биореакторе в условиях ограниченного доступа кислорода. Удаление азота сопровождается увеличением численности бактерий, накапливающих фосфат.

Удаление фосфата

Фосфат не может разлагаться биологически, но бактериальные клетки накапливают его в виде полифосфатов — запасных высокоэнергетических соединений. Такое биологическое накопление фосфата используется для эффективного удаления его из сточных вод.

Химическая очистка происходит в соответствии с законом действующих масс: для удаления малого количества фосфата (несколько миллиграммов на литр) требуется значительный избыток осаждающего агента. Эффективность удаления фосфата может быть существенно повышена благодаря процессу биологического накопления фосфата.

Аэробные бактерии накапливают фосфат в виде внутриклеточных полифосфатов, выполняющих функцию запасания энергии. При дефиците кислорода, когда окислительное фосфорилирование блокировано, полифосфаты мобилизуются с образованием АТР. Синтез полифосфатов, источником которых служит неорганический фосфат из среды, протекает в условиях достаточного обеспечения источником энергии, тогда как гидролиз — в анаэробных условиях.

Инкубация активного ила на различных этапах очистки в присутствии и в отсутствии кислорода благоприятна для накопления фосфата бактериями и обеспечивает весьма эффективное его удаление из среды либо с биомассой активного ила, либо путем осаждения в анаэробных условиях, когда содержание фосфата в воде существенно повышается.