Привести молекулярные и ионные уравнения реакций и объяснить, как влияет рН раствора на полноту осаждения свинца в случае использования извести, Физические показатели качества воды: мутность, прозрачность - Микробиология воды

Реакция ионов свинца с карбонатом натрия:

Pb2 + 4 Na2CO3 = 2Pb(Na2CO3)2

Pb2+2 + 4 Na+2 + CO2-3 = 2Pb(Na2CO3)2

Реакция ионов свинца и дигидроксидом кальция:

Pb + Ca(OH)2 + 2H2O = CaPb(OH)4 + H2^

Pb2+ + Ca(OH)2 + 2H2O = Ca2+ + Pb(OH)4 + H2^

Физические показатели качества воды: мутность, прозрачность

Мутность - показатель качества воды, обусловленный присутствием в воде нерастворенных и коллоидных веществ неорганического и органического происхождения. Причиной мутности поверхностных вод являются илы, кремниевая кислота, гидроокиси железа и алюминия, органические коллоиды, микроорганизмы и планктон. В грунтовых водах мутность вызвана преимущественно присутствием нерастворенных минеральных веществ, а при проникании в грунт сточных вод - также и присутствием органических веществ. В России мутность определяют фотометрическим путем сравнения проб исследуемой воды со стандартными суспензиями. Результат измерений выражают в мг/дм3 при использовании основной стандартной суспензии каолина или в ЕМ/дм3 (единицы мутности на дм3) при использовании основной стандартной суспензии формазина. Последнюю единицу измерения называют также Единица Мутности по Формазину (ЕМФ) или в западной терминологии FTU (Formazine Turbidity Unit). 1FTU=1ЕМФ=1ЕМ/ дм3. В последнее время в качестве основной во всем мире утвердилась фотометрическая методика измерения мутности по формазину, что нашло свое отражение в стандарте ISO 7027 (Water quality - Determination of turbidity). Согласно этому стандарту, единицей измерения мутности является FNU (Formazine Nephelometric Unit). Агентство по Охране Окружающей Среды США (U. S. EPA) и Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) используют единицу измерения мутности NTU (Nephelometric Turbidity Unit). Соотношение между основными единицами измерения мутности следующее: 1 FTU(ЕМФ)=1 FNU=1 NTU.

ВОЗ по показаниям влияния на здоровье мутность не нормирует, однако с точки зрения внешнего вида рекомендует, чтобы мутность была не выше 5 NTU (нефелометрическая единица мутности), а для целей обеззараживания - не более 1 NTU.

Мера прозрачности - высота столба воды, при которой можно наблюдать опускаемую в воду белую пластину определенных размеров (диск Секки) или различать на белой бумаге шрифт определенного размера и типа (шрифт Снеллена). Результаты выражаются в сантиметрах.

Характеристика вод по прозрачности (мутности)

Прозрачность

Единица измерения, см

Прозрачная

Более 30

Маломутная

Более 25 до 30

Средней мутности

Более 20 до 25

Мутная

Более 10 до 20

Очень мутная

Менее 10

3. Роль микроорганизмов в процессе очистки сточных вод. Окисление органических веществ в аэробных условиях: элементарный состав илов и его зависимость от состава обрабатываемой воды; микрофлора и микрофауна активного ила и биопенки

При подходящих условиях микроорганизмы растут, размножаются, перерабатывают органические вещества, используя их в качестве пищи, и выделяют в окружающую среду разнообразные конечные продукты. Процессы минерализации органической материи (превращения ее в неорганические вещества) в зависимости от условий и вида микроорганизмов разделяются на две большие группы - аэробные и анаэробные. По этому же принципу подразделяются на два вида и способы биологической очистки сточных вод.

Промышленное применение микроорганизмов заключается в управлении процессом биохимического превращения органических веществ при участии микроорганизмов и ферментов. Одним из наиболее типичных примеров промышленного применения микроорганизмов - биохимическая очистка сточных вод. Органические вещества, содержащиеся в бытовых и промышленных сточных водах, являются благоприятной средой для микроорганизмов, которые в ней быстро размножаются, используя часть пищи для синтеза новых клеток, а другую перерабатывая в простые минеральные продукты - СО2, Н2О и др. Этот процесс, протекающий в присутствии кислорода (воздуха), называется "биохимическим" окислением. До биохимического окисления сточные воды подвергаются механическому очищению (осаждению). В осадках, образующихся в результате механического и биохимического очищения сточных вод, органические вещества минерализуются затем чаще всего за счет анаэробных биохимических процессов. Механизм изъятия органических веществ из сточных вод и их переработки микроорганизмами очень сложен и полностью не изучен. Согласно современным теориям его можно описать тремя последовательными стадиями:

Массообмен и сорбция субстрата на поверхности микроорганизмов;

Диффузия субстрата через клеточную мембрану микроорганизмов;

Метаболизм субстрата в клетках.

Суспендированные вещества и крупные молекулы в растворе надо заранее разрушить, чтобы они могли легко проходить сквозь клеточную оболочку. Это разрушение происходит при помощи ферментов, выделяемых бактериями.

Возможны два пути переноса вещества от поверхности внутрь клетки:

Последовательное растворение вещества в оболочке клетки и цитоплазматической мембране, благодаря чему оно диффундирует внутрь клетки;

Присоединение транспортируемого вещества к специфическому белку-переносчику, находящемуся в мембране; дальнейшее превращение комплекса вещество-переносчик в растворимое состояние; диффузия комплекса через мембрану в клетку, где комплекс распадается, и белок-переносчик высвобождается для совершения нового цикла.

Основную роль в очистке сточных вод играют процессы превращения вещества, происходящие в клетках микроорганизмов, а именно окисление вещества, сопровождающееся выделением энергии, и синтез новых белковых веществ, протекающий с затратой энергии.

При потреблении микроорганизмами питательных веществ, содержащихся в сточных водах, в микробной клетке одновременно протекают два взаимосвязанных процесса - синтез протоплазмы и окисление органических веществ (на окисление клетка потребляет кислород, растворенный в сточной жидкости). Скорость потребления кислорода активным илом зависит от многих взаимосвязанных факторов: концентрации микроорганизмов и простейших в активном иле, скорости их роста и физиологической активности; концентрации и состава питательных веществ, поступающих с загрязненным потоком, а также от содержания кислорода в среде и условий аэрации в аэротанке.

В процессе биоокисления органических веществ микроорганизмами важнейшую роль играет транспорт кислорода в системе газ-жидкость-клетка, в связи, с чем процессы массопередачи и гидродинамики в аэротенках являются основополагающими.

Для очистки сточных вод широко используются два типа биологических процессов: аэробные (в которых микроорганизмы используют растворенный в сточных водах) и анаэробные (в которых микроорганизмы не имеют доступа ни к свободными растворенному кислороду ни к другим, предпочтительным в энергических отношениях акцепторам электронов).

Активный ил аэробных очистных систем:

Микрофлору биологических очистных систем составляют микроорганизмы, являющиеся биохимическим агентом при аэробной очистке сточных вод, образуют сложные сообщества активного ила и биопленки. Такие сообщества микроорганизмов (называемые также смешанной культурой, смешанным биоценозом) состоят из представителей многих систематических групп -- бактерий, актиномицетов, грибов, водорослей, членистоногих. Основу биомассы таких сообществ составляют бактерии. Общая поверхность 1 грамма сухой биомассы этих микроорганизмов оценивается площадью около 100 м2, что и обусловливает высокую скорость обменных процессов при очистке сточных вод.

Биопленка, покрывающая твердые поверхности, погруженные в объем жидкости аэробных биохимических реакторов, образована иммобилизованными клетками микроорганизмов, ее толщина обычно не более 3 мм, чаще 0,5 - 1,0 мм.

Состав микроорганизмов активного ила и биопленки подвержен изменениям в широких пределах и зависит от условий культивирования, температуры в реакторе. Отмечается влияние мутагенных факторов сточной воды на состав микрофлоры очистных сооружений.

Бактериальный состав активного ила сточных вод в значительной мере зависит от состава очищаемой сточной воды. В таблице приведены данные о содержании бактерий некоторых родов в активных илах очистных систем различных производств.

Количество бактерий в сточных водах различных производств, %

Род бактерий

Производство

Молочное

Жирных кислот

Pseudomonas

4

60

Bacillus

31

18

Bacterium

43

12

Corynebacterium

6

_

Mycobacterium

6

_

Flavobacterium

8

_

Micrococcus

2

_

Sarcina

_

5

Fungi

_

5

Наиболее многочисленным родом в микрофлоре аэробных очистных систем является Pseudomonas - грамотрицательные палочковидные бактерии. Распространенность представителей этого рода бактерий обусловлена широким спектром компонентов загрязнений, которые могут служить для них субстратом.

У бактерий рода Pseudomonas имеется около 150 ферментных систем, способных превращать вещества сточной воды в биомассу и обеспечивать клетку энергией. К порядку Pseudomonas относится 50 - 80 % биомассы бактерий илов аэробных систем очистки производственных сточных вод. В этот порядок входят бактерии, окисляющие нитриты (Nitrosomonas), соединения серы (Sulfomonas, Thiobacillus).

В производственных стоках встречаются многие виды Bacterium. К ним относится аммонификаторы В. Micoides, разлагающие органические аминосодержащие соединения (белки, мочевину, аминокислоты) с образованием иона NH4+ или свободного аммиака.

Бактериальный состав активных илов стабилен в течение длительного периода эксплуатации. Доминирующими родами являются Pseudomonas и Alcaligenes (5-39 и 36-84% соответственно), в то время как Bacillus, Zoogloea и факультативные анаэробы являются индикаторами нарушения процесса очистки. При перегрузке очистной системы резко возрастает содержание Zoogloea -- до 45 %.

Прослеживается также изменение количества простейших от нагрузки на активный ил. В активном иле имеются так называемые индикаторные организмы, по состоянию которых судят о нормальном протекании процессов очистки. К ним относятся инфузории - Ciliata, Paramecium, Lacrimaria, Stentor, Stilonichia, Euplofes patella, Aspidisca costata, Opercularia, Vorticella. Установлено, что в нормально развитом биоценозе на 1016клеток бактерий приходится 10-16 клеток простейших, в илах худшего качества -- 5-9 клеток, а в илах ненормально работающих очистных систем -- 1-4 клетки. Из других организмов в илах встречаются коловратки (Rotatoria), являющиеся индикатором нормального насыщения жидкости кислородом.

В системах с изменяющейся нагрузкой на активный ил по ходу движения жидкости (аэротенки-вытеснители, биофильтры) изменяется состав микрофлоры. На начальной стадии процесса очистки, когда на единицу биомассы приходится большая часть субстрата, в биоценозе преимущественно развиваются гетеротрофные бактерии и простейшие, питающиеся растворенными компонентами сточной воды. Далее со снижением загрязненности воды уменьшается количество бактерий, появляется больше свободноплавающих простейших, питающихся бактериями. В конце процесса очистки развивается большое количество хищных простейших, появляются низшие беспозвоночные.

В биопленке, покрывающей поверхности носителя в реакторах с иммобилизованной микрофлорой, помимо бактерий наблюдается большое количество простейших, коловраток, червей. Биоценоз ила аэротенков и биопленка идентичны при очистке одной и той же воды, однако количество различных видов организмов разное. Показателем хорошего состояния биопленки является наличие инфузорий кругловых, брюхореспичных, жгутиковых, червей Nematoda, коловраток.

На стадии окончания биологической очистки воды протекают процессы нитрификация с образованием нитритов и жиратов. В этом процессе в качестве биологических агентов выступают бактерии из родов, Nitrosomonas и Nitrobacter. Наиболее изученным микроорганизмом, осушествляющим окисление аммонийного азота до нитритов -- нитрификацию первой фазы, является Nitrosomonas europaea. Основной биологический агент нюрой фазы нитрификации -- окисления нитритов в нитраты -- Nitrobacter Vinogradskyi.

Глубокая биологическая доочистка сточных вод осуществляется с помощью культуры микроводорослей.

При создании благоприятных условий для культивирования микроволорослей (освещенность, температура, субстрат) их смешанное сообщество обычно состоит из представителей род jd Chlorella, Scenedesmus, Nitzschia, Ankistrodesmus.

При достаточном количестве органического субстрата в сточной Воде в освещенном культиваторе наблюдается симбиоптическое взаимодействие между сообществами бактерий и микроводорослей. Культура микроводорослей спонтанно развивается в условиях достаточной освещенности на последних стадиях очистки воды в дисковых биофильтрах, биопрудах.

Положительный эффект от культивировании микроводорослей заключается не только в снижении концентрации азота и фосфора в очищенной воде, а в их обеззараживающем действии.

Химический состав активных илов:

Активные илы очистных систем преимущественно состоят из биомассы смешанного сообщества микроорганизмов, растущего Т Сложном субстрате (сточной воде). Состав биомассы в основном определяет состав активною ила. Однако при очистке жидкостей с большим содержанием органических взвешенных веществ и размерами частиц более 10-4 м в активных плах накапливается осажденное в отстойниках вещество дисперсной фазы стоков. Рециркуляция активного ила приводит к частичному разложению, уменьшению размеров органических частиц дисперсной фазы. Существует функциональная зависимость между возрастом биомассы активного ила, концентрацией, дисперсным составом поступающей в аэротенк взвеси и ее концентрацией в активном иле.

Многочисленными исследованиями установлено, что биомасса аэробного активного ила имеет следующий элементный состав: С5Н7О2N, а с учетом фосфора С5Н7О2NP0,06. Содержанием фосфора можно пренебречь, поскольку в сточных водах пищевых предприятий он имеется в достаточном количестве и в расчетах прироста биомассы может не учитываться.

Для расчетов, связанных с определением прироста биомассы, баланса элементов, в процессе очистки достаточно точной формулой клеточного вещества является С5Н7О2N. Эта формула отражает состав как аэробного, так и анаэробного активного ила и согласуется с элементным составом практически всех микроорганизмов, применяемых в биотехнологии в качестве биологических агентов.

Типичный состав сухого вещества микробной клетки характеризуется следующими значениями %: Углерод - 50; азот - 7-12; фосфор 1-3; сера 0,5-1,0; магний - 0,5.

Биохимический состав беззольного клеточного вещества активного ила по классам соединений оценивается следующими показателями %:

Углеводы - 3,8-5,3; белки - 56,3-58,2; жиры - 21,7-21,9.

Примятый в биотехнологии расчет состава биомассы на абсолютно сухое вещество (АСВ) представляется более рациональным, чем расчет на беззольное вещество, поскольку зольные элементы являются оставной частью клеточного вещества. Стехиометрические расчеты выхода биомассы, экономических коэффициентов и т. д. ведутся в пересчете на сухое вещество, следовательно, правильнее учитывать и зольную часть вещества микроорганизмов.

При аэробной очистке основными технологическими параметрами являются скорость разбавления (время пребывания) и удельная скорость роста биомассы. В таблице ниже приведены данные о составе биомассы активного ила в различных режимах работы экспериментальной установки, представляющей собой реактор-смеситель с отстойником и системой рециркуляции.

Состав биомассы активного ила при различных режимах очистки

Анализируемый образен

Время пребывания, ч

Удельная скорость роста, ч-1

Исходная сточная вода

-

-

Активный ил без рециркуляции

6,25

0,16

12,50

0,08

25,00

0,04

50,00

0,02

Активный ил с рециркуляцией

12,50

0,026

25,00

0,011

50,00

0,003

Анализируемый образец

Состав, % к АСВ

Белок

Углеводы

Нуклеиновые кислоты

Зольность

Исходная сточная вода

53,7

15,7

4,88

23,0

Активный ил без рециркуляции

63,8

13.0

4.20

18,8

63,3

94

4,04

18,8

64,0

8,6

4.14

19,7

63,4

12,2

4,22

-

Активный ил с рециркуляцией

63,0

8,8

4,80

19,8

53,3

13,6

4,01

19.7

53,4

12.6

4,24

20,0

Наибольшее содержание белка в активном иле при режимах без рециркуляции. Возврат ила приводит к увеличению его возраста и относительному увеличению содержания минеральных компонентов. Изменение количества углеводов имеет нерегулярный характер, а содержание нуклеиновых кислот относительно стабильно. Постоянное содержание нуклеиновых кислот в илах различного "возраста" (величина, обратная удельной скорости роста) свидетельствуют о том, что состав биомассы клеток мало изменяется и различных режимах культивирования. Нарастание зольности "старых" плов связано, по-видимому, с накоплением в осадке различных минеральных частик, которые тяжелее микробных клеток и концентрируются за счет осаждения в отстойнике и рециркуляции. Исследование состава ила по длине аэротенка показало, что содержание нуклеиновых кислот незначительно изменяется с "возрастом" клеток.

Исследования изменения химического состава активного ила при очистке модельных стоков молочных заводов показали, что содержание общего углерода составляет 50,2--60,2% при времени пребывания в аэротенке от 13 до 24 ч. Количество углерода зависело не от времени аэрации, а от ее интенсивности. Длительность аэрации в исследовавшемся весьма узком диапазоне мало влияла на химический состав ила. При очистке сточных вод, не содержащих литеральных дисперсных частиц, зольность биомассы активного ила не зависит от "возраста" последнего и находится в пределах 19--21 %. В связи с этим существующие системы расчета аэробной очистки, учитывающие накопление "инертной биомассы" с возрастанием времени пребывания ила, не отражают существа биохимических процессов, а являются эмпирическим обобщением данных о возрастании количества минеральных частиц и осадке вторичных отстойников. Нее расчетные модели, связывающие "возраст" ила с его зольностью, применимы только к тем системам очистки и тем сточным водам, на которых были получены экспериментальные данные.

Похожие статьи




Привести молекулярные и ионные уравнения реакций и объяснить, как влияет рН раствора на полноту осаждения свинца в случае использования извести, Физические показатели качества воды: мутность, прозрачность - Микробиология воды

Предыдущая | Следующая