ского вещества биомассы1. Это может быть окисление отдельных внутриклеточных структур или разложение целых клеток. Распад является важным элементом в описании процессов конверсии на очистных станциях. Тот факт, что микроорганизмы умирают, не влияет на количество веществ в системе, но означает возрастание в ней концентрации медленно разлагаемого вещества. Это вещество будет гидролизовано и впоследствии будет способствовать новому росту и потреблению кислорода или нитрата (см. рис 3.3).
Обычно процесс распада описывают уравнением первого поряд ка по биомассе Хв*.
rv,xs = ЬХв |
(3.5) |
где Ь — это константа распада (размерность Т ” 1, например сут-1 ). При распаде образуется некоторое количество биологически неразлагаемого (или очень медленно разлагаемого) вещества, т. е. при любых скоростях процесса в биореакторе всегда содержатся
неразлагаемые (инертные) вещества.
3.2.4. Накопление запасных веществ
При определенных обстоятельствах микроорганизмы способны запасать органические и неорганические вещества в клетках (табл. 3.2а). Запасные вещества хранятся в полимерной форме внутри клетки. Микроорганизмы также способны превращать органиче ский субстрат во внеклеточные полимерные вещества (ВПВ). Явля ются ли такие вещества запасными для микроорганизмов — это вопрос спорный, так как микроорганизмы обычно их в дальнейшем не используют. В процессе биологической очистки воды обнаружено три типа запасных веществ.
Полимерные насыщенные оксикислоты (ПНО) — это липиды, включающие в себя разнообразные жирные кислоты. Такие поли меры состоят в основном из полиоксибутирата (ПОБ) и полиоксивалерата (ПОВ) (см. табл. 3.2а). Они синтезируются из жирных кислот, присутствующих в стоке или образующихся в процессе ферментации. Определить указанные вещества в биомассе можно аналитическими методами. Метаболизм фосфат-аккумулирующих организмов (ФАО) также связан с накоплением гликогена. Для рас четов можно принять, что ПОБ имеет общую формулу (С4Нб02)п-
1В анаэробных процессах может происходить, например, химическое дис пропорционирование, в результате которого одна часть углерода биомассы окисляется, а другая восстанавливается. — Прим. ред.
Таблица 3.2а. Запасные вещества, обнаруженные в биомассе в процессе биологической очистки воды
Запасное вещество |
Аббревиатура |
Внеклеточные |
ВПВ |
полимерные |
|
вещества |
|
Поли-/?-оксибутират |
ПОБ |
Поли-/?-оксивалерат |
ПОВ |
Полимерные |
ПНО |
насыщенные |
|
оксикислоты |
|
Гликоген |
Гл |
Полифосфаты |
ПФ |
Какие микроорганизмы используют
Гетеротрофные аэробные микро организмы при углеводной нагрузке
Гетеротрофные микроорганизмы при высокой нагрузке по ацета ту, ФАО, некоторые нитчатые микроорганизмы
Гетеротрофные микроорганиз мы при нагрузке по ацетату и пропионату, ФАО, некоторые нитчатые организмы
Как в случае ПОБ
Гетеротрофные микроорганизмы при нагрузке по глюкозе, ФАО, ГАО
ФАО
Запасные полимерные вещества метаболизируются очень быст ро, часто за 4 -6 ч при 20 °С.
Гликоген (Гл) — полимерный углеводород, накапливается в ге теротрофных организмах при обработке промышленных стоков, богатых углеводородами [43], или в ФАО вместе с ПНО. Накопление и расходование гликогена и ПНО в ФАО происходит в противофазе: пока одно вещество создается, другое расходуется (см. рис. 3.15). Накопление гликогена имеет для биомассы в реакторе долгосроч ный эффект, так как может обеспечить запас энергии на 1-2 дня.
Полифосфаты обнаружены в ФАО, где они используются как энергетический запас только в анаэробных условиях в присутствии ацетата и при возможности накопления ПОБ. В аэробных условиях полифосфаты могут сохраняться в течение многих дней, и разла гаются они только при распаде клеток [40].
При аэробной обработке сточной воды процесс накопления запасных веществ можно изобразить следующей схемой, представ ленной на рис. 3.4а.
детальное описание процесса биологической конверсии сточных вод можно найти, например, в работе [36].
Органическое вещество в сточной воде имеет приблизительно следующий химический состав: CieHigOgN [7]. Если это веще ство окисляется под действием микроорганизмов до диоксида углерода, суммарную реакцию можно представить следующими уравнениями:
CI 8HI 90 9N + 17,502 + Н+ -> 18С 02 + 8Н20 + NH+ |
(3.6) |
(без нитрификации)
CisHigOgN + 19,502 -> 18С 02 + 9Н20 + N 0 ^ |
(3.7) |
(с нитрификацией)
Потребление кислорода микробами, согласно уравнениям (3.6) и (3.7), составляет 1,42 и 1,59 кг 0 2/к г органического вещества соответственно. Значение ХПК в обоих случаях равно 1,42 кг 0 2/к г органического вещества, так как аммоний при определении ХПК не окисляется.
Количество энергии, выделяющееся в ходе реакции окисления органического вещества, можно найти из уравнений двух следую щих полуреакций [8]:
1 |
28 |
17 |
1 |
1 |
- C |
18H190 9N + ^ Н 20 |
-> - С |
0 2 + т^НСОз + |
- N H + + Н+ + е " |
|
A G °(W ) = |
—32 кДж/эл. экв |
(3.8) |
|
|
^Н 20 -> j 0 2 + Н+ + е“ |
A G °(W ) = 78 кДж/эл. экв (3.9) |
||
При объединении уравнений (3.8) и (3.9) получаем общий энергетический выход реакции аэробного окисления органического вещества:
i c 18H1909N + \02-> ^С02+ ^НС03- + ^NH+ + ^Н20
A G °(W ) = —110 кДж/эл. экв |
(3.10) |
Органическое вещество, содержащееся в обычных городских сто ках, можно разделить на углеводы, жиры и белки. По массе эти вещества представлены примерно в равной пропорции. В табл. 3.3 приведены формулы веществ, потребление кислорода и процентное содержание углерода и азота в веществах этих трех групп. Из таблицы видно, что потребление кислорода для указанных групп субстратов сильно различается.