Epurarea biologica

Curs 6

Epurarea biologică

• se aplică apelor uzate cu conţinut de compuşi organici. C este asimilat de bacterii în timpul metabolismului.

• avantaj: elimină compuşii solubili organici din apă

– fără consum de reactivi – fără un consum mare de energie.

• numai cand substanţele organice sunt:– degradabile – nu sunt însoţite de substanţe toxice

• foloseşte populaţii mixte de bacterii, microorganisme, ciuperci - biocenoze denumite generic biomasă.

1. Procese metabolice • oxidarea biochimică a substanţelor organice → formarea apei

(generarea de energie)

Metabolismul:– Dezasimilatie - r. catalizate de enzime de oxidoreducere( enzimele

lantului respirator)

– Lantul respirator- oxidarea= transferul moleculei de hidrogen şi al electronilor de la substanţă, prin lanţul de acceptori, la ultimul acceptor de hidrogen.

– In funcţie de mediul înconjurător, ultimul acceptor de hidrogen poate fi oxigenul, substanţe organice sau diferite substanţe anorganice care conţin oxigenul în moleculă.

– Asimilatie

• reacţii de aerobioză : – cand reacţiile de oxidoreducere din celulă (respiraţia

celulară) au loc în prezenţa O2 molecular,

– se eliberează ca metaboliţi CO2, H2O şi produşi de oxidare ai N şi ai S

• reacţii de anaerobioză sau de fermentaţie – cand reacţiile au loc in absenţa O2,

– se elimină ca metaboliţi C şi alte substanţe organice

oxidarea glucozei In prezenta O2:

• C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 680kcal

In absenta O2:

• C6H12O62CO2 + 2C2H5OH + 22kcal

“respiraţia” celulei = totalitatea proceselor biochimice aerobe sau anaerobe prin care celula eliberează energia necesară activităţii sale vitale.

Energia se elibereaza prin:– procese de oxidare aerobă în care intervine O2 molecular

– prin procese de oxidare anaerobă în care acceptorul de hidrogen este o substanţă organică capabilă sa se reduca.

Reprezentarea schematică a metabolismului

substanţe nutritive

din mediu

substanţe nutritive

din mediu

dezasimilaţie

energie eliberatăenergie

eliberată

subunităţi de construcţie

subunităţi de construcţie

energie stocatăenergie stocată

material celular noumaterial celular nou

stocare de energie

activare subunităţi

asimilaţie

1

2

3

4

Degradarea aerobă

glucide lipideprotide

acid piruvic

acizi cu 2,4,6 atomi de carbon

hexoze aminoacizi glicerină şi acizi graşi

ciclu respirator CO2+H2O+energie

Bioelemente majore, sursele lor şi câteva din funcţiile lor în microorganisme

Pt. obţinerea materialului celular sunt necesare elemente esenţiale în cantităţi diferite:

• C,H,O,N,S,P (cantităţi relativ mari),

• K,Mg, Mn, Ca, Fe, Co, Cu, Zn, Mo (cantitaţi relativ mici)

– C,H,O,N →în compuşii organici (organisme)– S →sinteza aminoacizilor (cisteina, metionina şi o serie de

coenzime)– P → în acizii nucleici, fosfolipide. – K+ principalii cationii anorganici prezenţi în celule.

Bioelemente minore, sursele lor şi câteva din funcţiile lor în microorganisme

• Zn → alcool dehidrogenaza, alcalinfosfataza, ARN şi ADN polimeraza

• Mn →cofactor al unor enzime

• Mo, Se, Co, Cu, Ni, W →prezenti în diverse enzime In cazul degradării unui anumit mediu de către o bacterie,

de cele mai multe ori se întâmplă ca produse ale metabolismului unei specii bacteriene să fie preluate şi prelucrate de alte specii stabilindu-se o asociaţie de populaţii bacteriene foarte importantă pentru epurarea apelor uzate cu un randament crescut.

Metabolismul:• Asimilaţia - asamblarea unui număr mic de produşi de

dezasimilaţie, aminoacizi, baze nucleice în macromolecule cu caracter specific (proteine, acizi nucleici).

• se produce datorită enzimelor specifice şi unui material genetic

(care este tipar) → un material celular nou.

• Toate reacţiile din metabolismul celular sunt catalizate de sisteme enzimatice.

• Natura, cantitatea şi activitatea enzimelor sunt reglate astfel încât să asigure celulelor de bacterii un echilibru stabil.

• Fiecare enzimă are o temperatură optimă de activitate şi fiecare

enzimă are o activitate care poate fi inhibată de diverşi factori.

Schema de principiu a nutriţiei bacteriene

Caracteristicile substratuluiSubstratul = ansamblul de produşi conţinuţi

într-o apă care pot fi utilizaţi de către bacterii în procesul de creştere.

elemente sunt clasificate:• elemente majore C, H, O şi N• elemente minore P, K, S şi Mg• vitamine şi hormoni• elemente în urme/oligoelemente Co, Fe, Ni.

In apele reziduale elementele în urme,vitaminele şi hormonii - concentraţie suficientă pentru a asigura o epurare corectă la care se adaugă de asemenea K, P, S, Mg.

Din contră, se poate întâmpla ca apa să nu conţină suficient P sau N şi se impune introducerea acestora.

In lupta împotriva eutrofizării este posibilă eliminarea acestor elemente.

Un efluent poate fi epurat biologic, dacă există condiţiile necesare şi compatibile cu creşterea bacteriilor adică pH, temperatură, absenţa produşilor inhibitori şi a celor toxici metabolice.

Factorii care influenţează activitatea biologică sunt:

Inhibitorii enzimatici de natură fizică:• agitare mecanică violentă• ultrasunete• alte radiaţiide natură chimică care denaturează

proteinele mai ales prin precipitarea acestora sau prin blocarea unor elemente componente ale enzimei.

Inhibitorii de acest tip pot fi:• ioni ai metalelor grele (Fe3+, Hg2+, Ag+, Cu2+),• cianuri,• acid tricloracetic, agenţi oxidanţi.Inhibiţia de substrat sau de produs.

La concentraţii ridicate de substrat, viteza de reacţie începe să scadă. Se presupune că acest fenomen se datoreşte fixării pe proteină a mai multor molecule de

substrat, ceea ce are drept consecinţă stingerea sau întreruperea reacţiei. In mod asemănător pot acţiona şi produsele finale în concentraţii ridicate care pot să

împiedice accesul substratului. De asemenea, produsul final se poate fixa de enzimă într-un alt punct al moleculei, modificându-i conformaţia astfel încât fixarea substratului să devină dificilă sau chiar imposibilă.

După locul în care acţionează, enzimele se împart: • enzime intracelulare care acţionează în interiorul celulei şi • enzime extracelulare (exoenzime) care sunt eliberate de celulă în mediul exterior,

care catalizează reacţiile de hidroliză, de scindare a moleculelor mari în molecule mici capabile să pătrundă în celulă şi să intre în circuitul reacţiilor

Creşterea bacteriană • fenomen de multiplicare a microorganismelor - important pentru operaţia de

epurare. • in condiţii optime, creşterea bacteriană este un proces deosebit de rapid.• • Timpul unei generaţii, adică perioada de timp necesară pentru ca o

populaţie bacteriană să-şi dubleze numărul este de 15-20 minute.

• Pentru 48 ore o celulă poate da naştere unui număr de celule care ar avea o de 4000 ori mai mare decâ greutatea Pământului.

• In realitate creşterea bacteriilor este limitată de scăderea substanţelor nutritive şi de mărirea cantităţii de produse metabolice, toxice.

• Evoluţia bacteriană într-un volum limitat de soluţie nutritivă, în condiţii constante, este aceeaşi pentru toate tipurile de bacterii şi poate fi reprezentată prin curba de creştere.

Fazele în creşterea bacteriană:

1. In faza de lag (acomodare) - adaptarea celulelor şi sintetizarea enzimelor necesare metabolizării substratului (substanţa asupra careia acţioneaza o enzima în timpul unei reacţii biochimice.

• substratul poate să furnizeze substanţe nutritive organismului respectiv sau este folosit numai ca suport).

• selectarea celulelor care au posibilităţi enzimatice de supravieţuire se face genetic şi faza de lag poate dura un timp îndelungat.

• faza de lag trebuie să aibă o durată foarte mică, - este preferabil ca însămânţarea instalaţiei să se facă cu o cantitate suficientă de biomasă deja adaptată la subst. organice existente.

• In timpul fazei de lag nu există reproducţie celulară.• Dacă X este concentraţia celularǎ la t=0, viteza de creştere

este nulă dX/dt=0.

2. Faza de creştere exponenţială - multiplicarea celulelor cu viteză constantă, timpul de obţinere a unei generaţii având valoarea minimă care poate fi obţinută în condiţiile date. Nivelul reproducerii celulare atinge maximul şi rămâne constant în prezenţa unei concentraţii nelimitate de substrat.

• In această fază, celulele sunt mai sensibile la condiţii nefavorabile decât în faza de lag. La culturi statice, faza de creştere exponenţială nu este lungă, deoarece atât concentraţia substantelor nutritive cât şi a produselor de dezasimilare sunt factori limitativi.

• In cazul mediilor nutritive complexe fiecare component al mediului, poate fi factor limitativ numai pentru anumite specii de microorganisme.

•

•( )

m este nivelul de creştere maximal •

3. Faza de încetinire - scăderea vitezei de creştere a elementelor nutritive din soluţie sub o anumită valoare, iar la un moment dat viteza de creştere a noilor celule devine egală cu viteza de dispariţie.

4. Faza staţionară

5. Faza de declin (descreştere)

Fazele şi ecuaţiile prezentate care caracterizează creşterea bacteriană sunt valabile atât în mediu aerob cât anaerob.

4

1

2

3

5

nr de celule

timp

m=X

1•

dt

dX

Principii generale ale epurării biologice

• epurarea biologică a apelor uzate nu este o operatie unică, ci o combinaţie de operaţii intercorelate care pot diferi în timp şi pot fi efectuate de o cultură mixtă de microorganisme.

Bacteriile întâlnite în epurarea biologică se pot grupa după modul de hrănire în:• heterotrofe care descompun substanţele organice şi substanţele anorganice cu azot în absenţa oxigenului

molecular, unele reduc azotaţii la azotiţi, NH3 sau N2 şi sulfaţii la H2S.

• autotrofe care obţin energia necesară anabolismului prin fotosinteză sau chemosinteză din substanţe anorganice (ex. sulfobacteriile oxidează H2S la S sau SO4-; bacteriile nitrifiante oxidează NH3 la NO2 şi NO2- la NO3-)

•Organismele care produc oxidarea substanţelor din apele uzate se împart în:• obligat aerobe când reacţiile redox au loc numai în prezenţa oxigenului,• facultativ aerobe când reacţiile pot avea loc atât în prezenţa cât şi în absenţa oxigenului,• obligat anaerobe când reacţiile au loc în absenţa oxigenului (fermentaţie) şi pentru care oxigenul este toxic. •

Un aspect deosebit de important în epurarea biologică este transferul de impurităţi din apa uzată spre biomasă care se efectuează prin contactul interfacial şi prin fenomene de adsorbţie şi absorbţie.

Această etapă este rapidă şi eficientă în următoarele condiţii:• interfaţa dintre apa uzată şi biomasă să fie mare,• gradientul de concentraţie a substratului să fie mare,• la interfaţă să nu se formeze pelicule lichide care să împiedice transferul de substanţe sau să se acumuleze

substanţe nocive.Cele mai uzuale modalităţi de exprimare a concentraţiei substanţelor organice din apele naturale şi apele uzate sunt: • a)consum chimic de oxigen (CCO); • b)consum biochimic de oxigen (CBO); • c)conţinutul total de carbon organic (COT).

• In principiu desfăşurarea procesului de epurare biologică se prezintă în cele ce urmează. Substanţele asimilabile (CBO) concentrate la suprafaţa biomasei sunt adsorbite.

• Substanţele adsorbite sunt descompuse de către exoenzime (extracelular). Unităţile mici pătrund în celule şi participă la procesul de metabolism (catabolism+anabolism) în prezenţa enzimelor intracelulare.

• Ca urmare a procesului de anabolism se formează celule noi, iar din procesul de catabolism rezultă CO2, H2O, azotaţi şi alţi metaboliţi. Deci concomitent cu eliminarea substanţelor organice dizolvate se obţine creşterea culturii bacteriene sub formă de material celular sedimentabil.

• Epurarea biologică este procesul tehnologic prin care poluanţii de natură organică din apele uzate sunt transformaţi de o cultură de microorganisme în produşi de degradare şi în masa celulară – biomasa.

• Populaţia poate să fie împrăştiată în volumul de reacţie al instalaţiei de epurare sau poate să fie fixată pe un suport inert. In primul caz cultura de microorganisme se numeşte “nămol activ” şi epurarea se numeşte biologică cu nămol activ, iar în cazul al doilea se dezvoltă un o peliculă biologică, iar epurarea se realizeaza în construcţii cu filtre biologice, cu biodiscuri.

Clasificarea reactoarelor biologice

Reactoarele biologice se clasifică în • Reactoare heterotrofe care sunt:

– Reactoare aerobe:• cu biomasă fixă (paturi bacteriene)• cu biomasă în suspensie (nămoluri active)

– Reactoare anaerobe (digestoare)– Reactoare denitrifiante

• Reactoare chimiotrofe care sunt:– Reactoare nitrifiante

• şi – Reactoare mixte

• Reactoare algo-bacteriene• Reactoare bacteriene catalizate• Filtre de nisip lente