Биотехнология Вопросы 7-11Вопрос 7 Показатели БПК И ХПКБПК – это показатель загрязнения воды , характеризуемый количеством кислорода, которое за определенное время (5 суток) пошло на окисление химических веществ – загрязниетелей, содержащихся в единице объема воды. ХПК – количество кислорода (или окислителей в пересчете на кислород) м2/л необходимое для полного окисления содержащихся в воде органических веществ, т.е всех способных окисляться элементов из состава органического соединения (бихромат калия К2Cr2O7) БПК > ХПК – потому, что сжигает всю органику (полное Вопрос 8 Аэробная очистка Существуют 2 большие группы аэробных процессов биоочистки – экстенсивные и интенсивные. К экстенсивным относятся методы, не связанные с управляемым культивированием микроорганизмов-это поля орошения, поля фильтрации, биопруды (происходит естественное насыщение воды кислородом и окисление органических загрязнений). Аэротенк представляет собой комплекс железобетонных резервуаров, разделенных по длине перегородками на три части: регенератор, смеситель и коридор. Каждая часть аэротенка разделена в свою очередь по ширине перегородками, образуя секцию. Воздух, подаваемый в аэротенки, используется: - для поддержания ила во взвешенном состоянии и его перемешивания; - для отдувки газообразных продуктов окисления; - для биохимического окисления углеродосодержащих загрязнений; - для биохимического окисления азотосодержащих загрязнений. При подаче сжатого воздуха через аэраторы образуются мелкие пузырьки воздуха, из которых кислород переходит в иловую смесь, и перемешиваясь, равномерно распределяется в ней. Затем растворенный кислород и органические загрязнения адсорбируются активным илом и под воздействием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами, и кислорода воздуха происходит окисление сложных органических соединений до простых веществ: воды, углекислого газа, нитрат-сульфат-ионов и т.д. Активный ил-темно-коричневые хлопья, размером до 100 мкм. Установлено, что он состоит на 70% из живых организмов и на 30% -твердые частицы (неорганика). Адсорбционная поверхность АИ 100 м2 на 1 кг сухого вещества. Между хлопьями ила располагаются другие обитатели, индикаторные формы(инфузории, коловратки,черви и др). Живые организмы вместе с твердым носителем, к которому они прикреплены, образуют зооглей-симбиоз популяций организмов, покрытый общей слизистой оболочкой.Соотношение капсульных и бескапсульных форм называется коэффициент зооглейности. Вопрос 9 Гетеротрофные и автотрофные микроорганизмы Автотрофы (autos-сам, trophic-питающийся)- организмы, синтезирующие из неорганических соединений органические вещества с использованием энергии солнца или энергии, освобождающейся при хим реакциях (Хемотрофы). Хемотрофы-синтезируют органические вещества за счет энергии хим связей. Это бактерии которые получают необходимый для их роста С из углекислоты СО2 или карбонатов. Для роста им вполне достаточно набора неорганических веществ: NaCl, K2HPO4,FeCl3,MgSO4,(NH4)2SO4. Это самые удивительные м/о- из простых органических соединений они синтезируют сложные органические соединения, нарпример, белки, жиры, углеводы, ферменты.К автотрофам относятся растения( кроме паразитов и сапрофитов), водоросли, некоторые бактерии(пурпурные, железобактерии, серобактерии). Гетеротрофы (heteros- другой, trophic-питающийся)- оргинизмы, использующие для своего питания готовые органические соединения.Они в качестве источника С используют сложные органические соединения, такие, как белки, жиры, сахара, мочевина и др. Среди гетеротрофных организмов различают сапрофитов( гнилой растение) и паразитов, или патогенных м/о. Сапрофиты используют для своей жизнедеятельности мертвые органические вещества. Они широко распространены в природе и играют важную роль в разложении органических остатков в почве и сточных водах.К ним относятся все животные и человек, а также некоторые растения(грибы) и м/о. Фототрофы- синтезируют органические вещ-ва за счет энергии света. Вопрос 10 Анаэробная очистка. Метантенки и метанобразующие бактерии. Анаэробный метод очистки может рассматриваться в качестве одного из наиболее перспективных при наличии высокой концентрации в сточных водах органических веществ или для очистки бытовых стоков. Его преимущество перед аэробными методами заключается в резком снижении эксплуатационных расходов (для анаэробных МО не требуется дополнительной аэрации воды) и отсутствии проблем, связанных с утилизацией избыточной биомассы. Анаэробные реакторы обычно представляют собой железобетонные или металлические емкости, содержащие минимум, по сравнению с реакторами аэробной очистки, оборудования. Однако процесс жизнедеятельности анаэробных бактерий связан с выделением метана, что зачастую требует организации специальной системы наблюдений за его концентрацией в воздухе. Метантенк (от метан и англ. tank — бак, цистерна), железобетонный резервуар значительной ёмкости (до нескольких тыс. м3) для биологической переработки (сбраживания) с помощью бактерий и др. микроорганизмов в анаэробных условиях (без доступа воздуха) органической части осадка сточных вод. Распад органических веществ протекает в 2 фазы. В первой фазе из углеводов, жиров и белков образуются жирные кислоты, водород, аминокислоты и пр. Во второй — происходит разрушение кислот с образованием преимущественно метана и углекислого газа. В М. подаётся обычно смесь сырого (свежего) осадка из первичных отстойников и избыточный активный ил из вторичных отстойников после аэротенков. В М. производят подогрев сбраживаемой массы (чаще всего «острым» паром) и её перемешивание. Различают мезофильное (при температуре 30—35 °С) и термофильное (при температуре 50—55 °С) сбраживание. При термофильном сбраживании процесс распада проходит быстрее, но сброженный осадок хуже отдаёт воду. Смесь газов, выделяющихся при сбраживании, состоит преимущественно из метана (до 70%) и углекислого газа (до 30%). Метан (сжигаемый в котельной) используется для получения пара, которым подогревают осадок. Распад органических веществ состоит из трех этапов: - растворение и гидролиз органических соединений; - ацидогенез; - метаногенез. На первом этапе сложные органические вещества превращаются в масляную(С3Н7СООН), пропионовую(С2Н5СООН) и молочную кислоты(СН3СН(ОН)СООН). На втором этапе эти органические кислоты превращаются в усксусную кислоту(СН3СООН), водород, углекислый газ. На третьем этапе метанообразующие бактерии восстанавливают диокись углерода в метан с поглощением водорода. По видовому составу биоценоз метатенков значительно беднее аэробных биоценозов. Насчитывают около 50 видов микроорганизмов, способных осуществлять первую стадию - стадию кислотообразования. Самые многочисленные среди них - представители бацилл и псевдомонад. Метанообразующие бактерии имеют разнообразную форму: кокки, сарцины и палочки. Этапы анаэробного брожения идут одновременно, а процессы кислотообразования и метанообразования протекают параллельно. Уксуснокислые и метанообразующие микроорганизмы образуют симбиоз, считавшийся ранее одним микроорганизмом под названием Methanobacillus omelianskii. Анаэробные бактерии, архебактерии не содержат муреина, содержат псевдомуреин. Липиды состоят из глицерина и высоко-молекулярных спиртов. СО2+СН2=СН4+2Н2О Для них характерно карбонатное дыхание СО2=СНО=RCH3=CH4=(над стрелками 2Н) Метанобразующие бактерии: Methanobacterium sp., Methanococcus, Methanosarcina. Процесс метанообразования - источник энергии для этих бактерий, так как метановое брожение представляет собой один из видов анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органических веществ переносятся на углекислый газ, который восстанавливается до метана. В результате жизнедеятельности биоценоза метатенка происходит снижение концентрации органических веществ и образование биогаза, являющегося экологически чистым топливом. Для получения биогаза могут использоваться отходы сельского хозяйства, стоки перерабатывающих предприятий, содержащих сахар, бытовые отходы, сточные воды городов, спиртовых заводов и т.д. Вопрос 11 Очистка СВ от ионов ТМ По опасности для здоровья человека тяжелые металлы делятся на следующие классы: 1 класс: Cd, Hg, Se, Pb, Zn 2 класс: Co, Ni, Cu, Mo, Sb, Cr 3 класс: Ba, V, W, Mn, Sr Среди методов очистки сточных вод большую роль должен сыграть биологический метод, основанный на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Окислительно-восстановительные процессы обусловливают растворимость переменно-валентных элементов, и это обстоятельство берется за основу при разработке микробиологической технологии очистки от железа, марганца, хрома, мышьяка. При разработке адсорбционной технологии учитывается сродство тяжелых металлов (меди, ртути) к белку, в частности к микробному. Есть несколько типов биологических устройств по очистке сточных вод: биофильтры, биологические пруды и аэротенки. В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим началом в биофильтрах. В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем. Аэротенки - огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало - активный ил из бактерий и микроскопических животных. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, неслипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила. Сточные воды перед биологической очисткой подвергают механической, а после нее для удаления болезнетворных бактерий и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также другие физико-химические приемы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.). Биологический метод дает большие результаты при очистке коммунально-бытовых стоков. Он применяется также и при очистке отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного волокна [7]. Известны следующие основные процессы извлечения ионов тяжелых металлов из растворов с помощью микроорганизмов: биосорбция, осаждение металлов в виде сульфидов, восстановление элементов, окисление ионов металлов. Биосорбции- связывание металлов осуществляется как за счет разных механизмов (ионного обмена, комплексообразования, восстановления, образования малорастворимых соединений), так и за счет особенностей поведения различных металлов в растворах. Биосорбция с помощью бактерий, грибов, водорослей позволяет извлекать из растворов до 98% свинца, цинка, меди, марганца, никеля, хрома, до 96% золота и серебра, до 84% платины, до 93% селена. Многие микроорганизмы способны накапливать металлы в больших количествах. Способы проведения биосорбции различны: возможно пропускание раствора металла через микробный биофильтр, представляющий собой живые клетки, сорбировнные на угле, а также использование сорбентов на основе микробных полисахаридов. Существенные количества Mg2+, Fe2+, Cu2+, Na+ и К+, небольшие количества Mn2+, Zn2+, Au3+, Ni2+ и незначительные количества Hg2+, Sr2+, Pb2+ и Ag+.поглощаются клеточными стенками Bacillus sutilis. Восстановление металлов. При протекании микробиологических восстановительных реакций в процессе очистки воды от металлов окисление микроорганизмами органического вещества сопровождается сопряженным восстановлением компонентов среды за счет присоединения электронов, освобождающихся в результате окислительных процессов.Восствновители-диоксид серы, сульфат железа FeSO4. Окисление металлов. Ещё одним способом биологической очистки сточных вод от тяжелых металлов является их окисление. Этому процессу подвергаются ионы Fe2+ и Mn2+. Окислители- Cl,KMnO4, гипохлорид NaClO4, аммонийная соль. Осаждение металлов в виде сульфидов. Очистка сточных вод с использованием СВБ. Принцип-осаждение ионов тяжелых Ме биогенным Н2S: H2S+Zn2+=ZnS(осаждение)+2H+ Для удаления тяжелых металлов из воды предложен целый ряд химических и физических методов: гравитационное осаждение, флотация, фильтрация, адсорбция, обратный осмос, электродиализ, дистилляция и химическое осаждение. Самый простой и дешевый метод удаления большинства ТМ из сточных вод состоит в том, чтобы увеличить рН потока, таким образом, преобразовывая металл в нерастворимую форму. Однако осаждение металлов подобным способом мало селективно. Сначала осаждаются ионы железа, а затем другие тяжелые металлы. Осаждение, осуществляемое добавлением щелочи приводит к образованию большого количества осадка. Например, при осаждении меди (II), кадмия (II) или ртути (II) из растворов содержащих по 100 мг/л в виде гидроокисей образуется 1000 мг/л, 900 мг/л или 500 мг/л осадков соответственно. На этот метод можно влиять, вводя в раствор комплексообразующие агенты, типа цианида или хроматов. Также выделение металлов может быть улучшено механически или химически, например, введением электролитов или флокулянтов типа сернокислого алюминия. Необходимо отметить, что физико-химические методы эффективны в случае больших концентраций тяжелых металлов в сточных водах и часто не обеспечивают достаточный уровень очистки сточных вод с низкими концентрациями ионов металлов. Биологические методы в последнее время находят все большее применение для извлечения металлов из промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. Эти методы в отличие от физико-химических характеризуются достаточной простотой и эффективностью. Также биологические способы не вызывают вторичного загрязнения остатками вносимых в воду реагентов. Микроорганизмы имеют способность адаптироваться к разнообразию загрязнителей, как органических, так и неорганических. Микроорганизмы не могут уничтожить металлы, однако, они могут влиять на подвижность металлов в окружающей среде, изменяя их химические или физические характеристики. Химическими процессами также можно достичь этого, но, по существу, микроорганизмы сами подобны химическим фабрикам, производящим разнообразные молекулы и соединения. Поэтому методы удаления металлов из сточных вод, основанные на биосорбции и биоаккумуляции достойны существенного внимания. |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
