Особенности нитрифицирующих бактерий нитрификаторов

Схемы очистки сточных вод с нитрификацией и денитрификацией без дефосфатирования

Глубокое удаление азота и фосфора

Сущность метода

С химической точки зрения в процессы биологической очистки сточных вод разделяют 2 фазы – окислительную и восстановительную.

В окислительной фазе происходят процессы окисления углерода и азота. Окисление органического углерода осуществляют гетеротрофные микроорганизмы (преимущественно группы Pseudomonas). Окисление аммонийных соединений азота осуществляют автотрофные микроорганизмы-нитрификаторы. Их содержание в активном иле составляет 10-15%.

Восстановительные процессы включают денитрификацию и дефосфатирование. Эти процессы протекают при отсутствии в очищаемой воде растворенного кислорода (т.е. в анаэробных условиях), а также в аноксидных условиях. Дыхание микроорганизмов с использованием химически связанного кислорода характерно для 70-80 % гетеротрофных бактерий активного ила.

Перечисленные выше процессы лежат в основе работы реакторов для нитрификации, денитрификации и дефосфатирования.

Удаление азота

Технология последовательного двухстадийного окисления азота (включает нитрификацию и денитрификацию) обусловлена условиями существования хемоавторофных бактерий-нитрификаторов (Nitrosomonas и Nitrobacter). Нитрификаторы окисляют аммонийных азот до нитритов, а затем – до нитратов. Эти бактерии не терпят присутствия в воде легкоокисляемых органических веществ. На стадии окисления углерода они ингибированы и включаются в активную деятельность только после окисления 60-70% органических загрязнений.

Нитрификация. Хемоавторофные бактерии-нитрификаторы размножаются значительно медленнее, чем преобладающие по численности гетеротрофные микроорганизмы. Вывод из системы избыточного активного ила, содержащего определенное количество бактерий-нитрификаторов, может вызвать обеднение их сообщества. Поэтому возраст активного ила выбирают, исходя из условий сохранения и накопления нитрифицирующих бактерий.

При воздействии на активный ил тяжелых металлов, СПАВ, нефтепродуктов, а также фенолов и аминов скорость роста и функционирования нитрификаторов снижается. Так, при концентрации в сточной воде одного из металлов (хрома, никеля, меди или цинка) выше 1 мг/л скорость нитрификации снижается.

Большое влияние на жизнедеятельность бактерий-нитрификаторов оказывает температура воды. При температуре 5-60С они ингибированы, активность нитрификатиров проявляется при 10-250С.

Длительность нитрификации зависит от концентрации аммонийного азота в очищаемой воде и от требований к очищенной воде. Достижение концентрации аммонийного азота менее 1 мг/л требует значительного увеличения длительности аэрации и снижения нагрузки на ил до 0,07-0,09 кг БПК5 на кг ила в сутки.

Денитрификация основана на способности микроорганизмов активного ила в анаэробных условиях использовать в качестве источника кислорода нитритный и нитратный кислород. Для восстановления азота необходимо наличие легкоокисляемых органических веществ (например, этанола, низших кислот жирного ряда). В ходе реакций восстановления азота происходит прирост массы активного ила и увеличение количества бикарбонат-аниона НСО .

Денитрификация может осуществляться за счет накопления загрязнений в активном иле, примесей в осветленных или неосветленных сточных водах, органических кислот (в результате кислотного брожения осадка). Скорость денитрификации повышается при наличии данных источников углерода и при увеличении концентрации добавленного субстрата.

В активном иле преобладают бактерии группы Pseudomonas, из общей массы активного ила 70-80% микроорганизмов способны использовать для дыхания кислородсодержащие соединения азота. Постоянное повторение цикла нахождения ила в аноксидных условиях приводит к накоплению и усилению сообщества денитрифицирующих микроорганизмов.

На рост гетеротрофных денитрифицирующих организмов оказывает влияние количество усваиваемых органических веществ и обеспеченность нитратным азотом. Аммонийных азот в городских сточных водах содержится в большом количестве и существенно не воздействует на процесс денитрификации. Ингибирует денитрификацию растворенный кислород, поэтому в зоне денитрификации концентрацию растворенного кислорода необходимо снижать до минимально возможного уровня. Скорость денитрификации зависит также от температуры и карбонатной щелочности воды.

Удаление фосфора

В отличие от азота, который может выводиться из системы в газообразном состоянии при денитрификации, фосфор распределяется между илом и очищенной водой. Биологическое удаление фосфора заключается только в его выводе в составе избыточного активного ила. С увеличением массы избыточного ила возрастает масса удаляемого фосфора, но это входит в противоречие с накоплением в активном иле нитрифицирующих бактерий в результате их вывода вместе с приростом ила.

А вы читали?  Сом таракатум содержание размножение

Некоторые микроорганизмы природных микробиоценозов способны накапливать фосфор. Избыточное количество фосфора в клетке (т.е. большее, чем его необходимо для размножения бактерий) наблюдается при чередовании аэробных и анаэробных условий при перемещении активного ила по аэротенку.

В аноксидных условиях, когда в иловой смеси нет растворенного и химически связанного кислорода (в форме нитритов и нитратов), микроорганизмы активного ила приспосабливаются к таким условиям и включают в систему дыхания процессы трансформации форфора. Бактерии выводят фосфор в виде ортофосфатов и продуцируют низшие кислоты жирного ряда. Этот процесс характерен для кислого брожения органических загрязнений сточных вод в анаэробных условиях.

В аэробных условиях микроорганизмы активно поглощают и накапливают фосфаты в виде полифосфатов.

Таким образом, чередование анаэробных и аэробных условий вызывает миграцию фосфора из клеток в воду и обратно.

Если выводить активный ил из системы в момент наибольшего поглощения фосфора (в конце аэробной зоны), то можно удалить его из системы, не нарушая баланс прироста и вывода биомассы нитрифицирующих бактерий.

Продолжительность пребывания активного ила в анаэробных условиях колеблется от 0,5 часа до 2-3 часов. Желательно подавать в анаэробную зону активный ил, не содержащий нитриты и нитраты (чтобы предотвратить денитрификацию).

Удаление азота и фосфора взаимосвязаны. Глубокое удаление азота, возможное при снижении нагрузки на активный ил, снижает прирост ила и способствует вытеснению фосфора из клеток. С другой стороны, повышение нагрузки на ил интенсифицирует удаление фосфора.

Поэтому, выбирая режим работы аэротенков, следует определять наиболее приоритетный вид удаляемого загрязнения (азот или фосфор) в очищенной воде с учетом достигаемого уровня очистки.

— в режиме денитрификатора в классическом виде (т.е. без наличия кислорода);

— в режиме смешанного типа, когда в жидкости будут присутствовать растворенный кислород в следовых количествах и нитраты. В этом случае аноксидные условия будут создаваться не в объеме воды, а внутри хлопьев активного ила, когда недостаток кислорода заставит клетки бактерий внутри хлопьев использовать хемоавтотрофный механизм дыхания.

Схемы работы аэротенков в таком режиме представлены на рис. 1-3.

В первой схеме (рис. 1) устанавливается аэрация с недостатком кислорода на первых по ходу участках аэротенка. На начальном участке аэрация минимальна (по условиям перемешивания ила). Возврат активного ила, содержащего нитраты, компенсирует недостаток кислорода внутри хлопьев ила. При денитрификации вновь используется часть затраченного кислорода и расходуется энергия на процессы восстановления азота.

Во второй схеме (рис. 2) аэрация в денитрификаторе отсутствует. Иловая смесь перемешивается мешалками, подача нитратов регулируется при помощи рециркуляции ила. Недостатком схемы является некоторый перерасход энергии за счет циркуляции ила, поскольку напор насосов станции рециркуляции ила достаточно высок.

В третьей схеме (рис. 3) снижение энергозатрат достигается путем установки низконапорного насоса и включения линии рециркуляции нитратосодержащей иловой смеси из конца аэротенка в денитрификатор.

Технология очистки с денитрификацией и дефосфатированием (ДЕНИФО) включает 3 основных элемента в биоблоке:

  • зону анаэробной обработки смеси ила и сточных вод;
  • аноксидную зону для денитрификации;
  • аэробную зону для проведения нитрификации.

Каждая часть блока биологической очистки может состоять из нескольких отсеков с различным оснащением. В силу достаточно жестких требований по содержанию фосфора в очищенной воде приоритетным становится удаление фосфора.

Денитрификация и денитрифицирующие бактерии

Процесс восстановления нитратов до газообразных оксидов и молекулярного азота называется денитрификацией. Это вторая часть азотного цикла. В пресноводной аквариумистике этот процесс используется крайне редко, но тем не менее несомненно заслуживает рассмотрения. В отличие от нитрификации, где важнейшую роль играет растворенный в воде кислород, процессы денитрификации происходят в среде, лишенной кислорода, или, говоря научным языком, анаэробной.

А вы читали?  Сено для морских свинок

Денитрификация определена как превращение нитрата в азот — безвредный газ, который уходит пузырьками наружу. Между начальным продуктом (нитратом) и конечным продуктом (газообразным азотом) существуют три промежуточных продукта: в порядке их возникновения, это нитрит (NO2), окись азота (NO) и закись азота (N2O).

Нитрификация и денитрификация канализационных сточных вод — чистим стоки из своего дома

Это грамотрицательные микроорганизмы, облигатные аэробы или микроаэрофилы. Большинство их являются облигатными автотрофами, которые при наличии органических веществ не размножаются. Лишь некоторые из них включают в состав своих клеток углерод отдельных органических соединений (глюкозы, аминокислот).

Основным источником углерода для нитрифицирующих бактерий является СО2 воздуха, ассимиляция которого осуществляется в цикле Кельвина, а необходимая для этого энергия поступает в результате окисления аммиака. Процесс нитрификации локализован на цитоплазматической и внутрицитоплазматических мембранах. Ему предшествует поглощение аммиака и перенос его через ЦПМ с помощью медьсодержащей транслоказы.

Нитрификация происходит в почвах, озерах, морях, океанах. Она имеет как положительное значение, являясь важным этапом в круговороте азота в природе, так и отрицательное. Хотя нитраты хорошо усваиваются растениями и способствуют растворимости других необходимых растению элементов (например, фосфора и железа), они значительно легче и быстрее вымываются из почвы, чем аммонийные соли.

Поступление азота с нитратами в воды морей и океанов составляет миллионы тонн в год. Поэтому интенсивная нитрификация может привести к обеднению почв азотом. С целью регуляции этого процесса вносят препараты, ингибирующие нитрификацию, например, нитропирин, пиридин и его производные. Эти препараты подавляют первую фазу автотрофной нитрификации, но не влияют на гетеротрофную нитрификацию.

Образовавшиеся при нитрификации нитраты подвергаются в почве дальнейшим превращениям: 1) они могут быть использованы высшими растениями; 2) могут вымываться в водоемы; 3) закрепляться в клетках микроорганизмов, которые используют нитраты в качестве источника азота; 4) восстанавливаться микроорганизмами до молекулярного азота и аммиака.

Как организмы получают энергию из неорганических веществ?

Все зеленые растения и многие бактерии могут сами вырабатывать питательные органические вещества из неорганических (вода, углекислый газ и др.). Эта группа живых организмов получила название автотрофы (от лат. «самопитающиеся»), или продуценты, и является первым звеном пищевой цепи.

Организмы, получающие энергию от солнечного света в процессе фотосинтеза, носят название фототрофы. Нитрифицирующие бактерии относят к группе микроорганизмов, которые используют в качестве источника питания энергию химических реакций окисления. Такие организмы называют хемотрофами.

Нитрифицирующие бактерии (хемотрофы) не усваивают органику, содержащуюся в почве или воде. Они, напротив, синтезируют строительный материал для создания живой клетки.

Вещества, получаемые нитрифицирующей бактерией из почвы и воды, окисляются, а образующаяся при этом энергия идет на синтез сложных органических молекул из воды и углекислого газа. Это так называемый процесс хемосинтеза.

Хемосинтезирующие организмы, как и все автотрофы, обходятся без поступления извне необходимых питательных веществ, они вырабатывают их самостоятельно. Однако в отличие от зеленых растений нитрифицирующие бактерии не нуждаются даже в солнечном свете для процесса питания.

Есть организмы, использующие для получения энергии электричество. Недавно группа японских ученых опубликовала результаты исследования бактерий, живущих около глубоководных горячих источников. При трении водного потока о каменные выступы на дне образуется слабый заряд электричества, который и использовали изучаемые бактерии для получения пищи.

Что нужно для питания растений?

Обитающие в почве нитрифицирующие бактерии способом окисления разлагают аммиак, который образуется от гниения органики, до азотистой кислоты. Другие бактерии окисляют (добавляют кислород с выделением энергии) азотистую кислоту до азотной. В свою очередь обе эти кислоты с помощью минеральных веществ из почвы создают соли и фосфаты для питания растений.

А вы читали?  Дрессировка немецкой овчарки особенности и правила

Кроме этого, для питания необходим азот, содержащийся в окружающей среде. Однако самостоятельно добывать его растения не способны. На помощь приходят азотфиксирующие бактерии. Они усваивают азот, находящийся в воздухе, и переводят его в доступную для растительности форму – соединения аммония. Азотфиксирующие нитрифицирующие бактерии могут свободно жить в почве (азотобактер, клостридиум) или находиться в симбиозе с высшими растениями (клубеньковые).

Следующее звено в пищевой цепочке

Большая группа живых организмов не умеет самостоятельно синтезировать нужные органические соединения из неорганических. Такие организмы носят название гетеротрофы, или консументы (от лат. «употреблять»). Они получают органические вещества извне, а затем перестраивают молекулы для своего пользования, то есть напрямую зависят от продуктов фотосинтеза. Консументами являются грибы, животные, многие бактерии, паразиты и хищные растения.

Например, употребляя пищу растительного происхождения, мы напрямую используем продукт, синтезированный за счет энергии солнечного света. С животной пищей мы получаем готовые органические вещества, которые были получены животными из растений.

Однако полностью разложить получаемую органическую пищу гетеротрофы не могут. Всегда остаются отходы жизнедеятельности, которыми, в свою очередь, занимается отдельная группа микроорганизмов.

Кто занимается утилизацией отходов в природе

Бактерии и грибы, использующие отмершие остатки живых организмов, называют редуцентами (от лат. «восстановление»). Они разлагают органические остатки способом окисления до неорганики и простейших органических соединений. От прочих живых существ редуценты отличаются тем, что не имеют твердых непереваренных остатков.

Эта группа бактерий возвращает в почву и воду минеральные соли, которые вновь используются продуцентами-автотрофами. Таким способом замыкается оборот минеральных составляющих в природе.

Живые биологические фильтры

На практике свойства нитрифицирующих бактерий широко используют в создании биологических фильтров для аквариумов.

Аквариум с чистыми стенками и прозрачной водой, в которой плавают разноцветные рыбки, – украшение для любого помещения и предмет законной гордости владельца. Добиться чистоты в аквариуме не так-то просто. Остатки корма, экскременты рыб, частички отмерших водорослей не делают воду чище.

Довольно долгое время любители аквариумов использовали только способы механической очистки. В отличие от механики биологический фильтр — это не прибор, а некая совокупность процессов, в результате которых из воды удаляются токсичные соединения:

  1. Содержащийся в мочевине аммоний, который при повышении рН воды превращается в более опасный аммиак. Соотношение температуры и рН воды в аквариуме напрямую связано с количеством токсичного аммиака. При 20⁰С и рН 7 содержание аммиака 0,5%, а при 25⁰С и рН 8,4 – уже 10%.
  2. Следующая опасность – нитрит, получаемый при окислении аммиака.
  3. Окисление нитрита дает нитрат, который тоже токсичен.

Понизить содержание токсичных веществ в воде аквариума можно многими способами. Некоторые зависят только от человека, например, своевременная смена воды. Другие происходят сами по себе – растения и микроорганизмы усваивают соединения азота для собственных надобностей.

Первый способ трудозатратен (кому захочется бегать с ведрами?), а второй требует определенных условий – бактериям нужна пища, комфортная температура и место для жизни.

Для комфортного проживания бактерий в аквариуме нужна температура 26 -27⁰С, наличие кислорода (аэрация) и фотосинтез (водные растения). Пищей их обеспечат обитатели аквариума, а домом послужит аквариумная почва.

Итак, микроорганизмы обрабатывают неорганические вещества, находящиеся в окружающей среде, и создают в почве условия для питания растений. Источником энергии для животных служат, в свою очередь, растения. На следующем этапе животные-хищники забирают энергию у своих травоядных собратьев. Человек, как все высшие хищники, может получать питание и от растений, и от животных. Остатки жизнедеятельности животных и растений служат пищей для микроорганизмов, поставляющих неорганические вещества. Круг замкнулся.

Поддержание жизни и получение энергии возможно в совершенно разных природных условиях. Возможность зарождения новой жизни в непредставимых, на первый взгляд, условиях доказывает, насколько многогранна и пока мало изучена наша среда обитания.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

Adblock detector