Epurarea biologicaCurs 6 [623088]

Epurarea biologicaCurs 6

Epurarea biologică
•se aplică apelor uzate cu conținut de compuși organici.
C este asimilat de bacterii în timpul metabolismului.
•avantaj: elimină compușii solubili organici din apă
–fără consum de reactivi
–fără un consum mare de energie.
•numai cand substanțele organice sunt:
–degradabile
–nu sunt însoțite de substanțe toxice
•folosește populații mixte de bacterii, microorganisme,
ciuperci -biocenoze denumite generic biomasă .

1. Procese metabolice
•oxidarea biochimică a substanțelor organice →formarea apei
(generarea de energie)
Metabolismul :
–Dezasimilatie -r. catalizate de enzime de oxidoreducere( enzimele
lantului respirator)
–Lantul respirator -oxidarea= transferul moleculei de hidrogen și al
electronilor de la substanță, prin lanțul de acceptori, la ultimul acceptor
de hidrogen.
–In funcție de mediul înconjurător, ultimul acceptor de hidrogen poate fi
oxigenul, substanțe organice sau diferite substanțe anorganice care
conțin oxigenul în moleculă.
–Asimilatie

•reacții de aerobioză :
–cand reacțiile de oxidoreducere din celulă (respirația
celulară) au loc în prezența O2molecular,
–se eliberează ca metaboliți CO2, H2O și produși de
oxidare ai N și ai S
•reacții de anaerobioză saude fermentație
–cand reacțiile au loc in absența O2,
–se elimină ca metaboliți C și alte substanțe organice

oxidarea glucozei
In prezenta O2:
•C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 680kcal
In absenta O2:
•C6H12O6 2CO2 + 2C2H5OH + 22kcal
“respirația ” celulei =totalitatea proceselor biochimice aerobe sau
anaerobe prin care celula eliberează energia necesară activității
sale vitale .
Energia seeliber eaza prin:
–procese de oxidare aerobă în care intervine O2molecular
–prin procese de oxidare anaerobă în care acceptorul de hidrogen este o
substanță organică capabilă sase reduc a.

Reprezentarea schematică a
metabolismului
substanțe
nutritive
din mediudezasimilație
energie
eliberată
subunități de
construcție
energie stocată
material celular noustocare de energie
activare
subunități
asimilație1
23
4

Degradarea aerobă
glucide lipide protide
acid piruvic
acizi cu 2,4,6 atomi de carbonhexoze aminoacizi glicerină și acizi grași
ciclu respiratorCO2+H2O+energie

Bioelemente majore , sursele lor și
câteva din funcțiile lor în microorganisme
Pt. obținerea materialului celular sunt necesare elemente
esențiale în cantități diferite:
•C,H,O,N,S,P (cantități relativ mari ),
•K,Mg, Mn, Ca, Fe, Co, Cu, Zn, Mo (cantitați relativ mici)
–C,H,O,N →în compușii organici (organisme)
–S →sinteza aminoacizilor (cisteina, metionina și o serie de
coenzime)
–P →în acizii nucleici, fosfolipide.
–K+ principalii cationii anorganici prezenți în celule.

Bioelemente minore, sursele lor
și câteva din funcțiile lor în microorganisme
•Zn →alcool dehidrogenaza, alcalinfosfataza, ARN și
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
și prelucrate de alte specii stabilindu -se o asociație de
populații bacteriene foarte importantă pentru epurarea
apelor uzate cu un randament crescut.

Metabolismul :
•Asimilația -asamblarea unui număr mic de produși de
dezasimilație, aminoacizi, baze nucleice în macromolecule cu
caracter specific (proteine, acizi nucleici).
•se produce datorită enzimelor specifice și unui material genetic
(care este tipar) →un material celular nou .
•Toate reacțiile din metabolismul celular sunt catalizate de sisteme
enzimatice.
•Natura, cantitatea și activitatea enzimelor sunt reglate astfel încât să
asigure celulelor de bacterii un echilibru stabil.
•Fiecare enzimă are o temperatură optimă de activitate și fiecare
enzimă are o activitate care poate fi inhibată de diverși factori.

Schema de principiu
a nutriției bacteriene

Caracteristicile substratului
Substratul = ansamblul de produși conținuți într –
o apă care pot fi utilizați de către bacterii în
procesul de creștere.
elemente sunt clasificate:
•elemente majore C, H, O și N
•elemente minore P, K, S și Mg
•vitamine și hormoni
•elemente în urme/oligoelemente Co, Fe, Ni.
In apele reziduale elementele în urme,
vitaminele și hormonii -concentrație 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
conțină suficient P sau N și se impune
introducerea acestora.
In lupta împotriva eutrofizării este posibilă
eliminarea acestor elemente.Un efluent poate fi epurat biologic,
dacă există condițiile necesare și
compatibile cu creșterea
bacteriilor adică pH, temperatură,
absența produșilor inhibitori și a
celor toxici metabolice.
Factorii care influențează activitatea
biologică sunt:
Inhibitorii enzimatici de natură fizică :
•agitare mecanică violentă
•ultrasunete
•alte radiații
de 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, agenți oxidanți .
Inhibiția de substrat sau de produs .
La concentrații ridicate de substrat, viteza de reacție începe să scadă.
Se presupune că acest fenomen se datorește fixării pe proteină a mai multor molecule de
substrat, ceea ce are drept consecință stingerea sau întreruperea reacției.
In mod asemănător pot acționa și produsele finale în concentrații ridicate care pot să
împiedice accesul substratului. De asemenea, produsul final se poate fixa de enzimă
într-un alt punct al moleculei, modificându -i conformația astfel încât fixarea
substratului să devină dificilă sau chiar imposibilă.
După locul în care acționează, enzimele se împart :
•enzime intracelulare care acționează în interiorul celulei și
•enzime extracelulare (exoenzime) care sunt eliberate de celulă în mediul exterior,
care catalizează reacțiile de hidroliză, de scindare a moleculelor mari în molecule
mici capabile să pătrundă în celulă și să intre în circuitul reacțiilor

Creșterea bacteriană
•fenomen de multiplicare a microorganismelor -important pentru operația de
epurare.
•in condiții optime, creșterea bacteriană este un proces deosebit de rapid.
•
•Timpul unei generații, adică perioada de timp necesară pentru ca o
populație bacteriană să -și dubleze numărul este de 15 -20 minute.
•Pentru 48 ore o celulă poate da naștere unui număr de celule care ar avea
o de 4000 ori mai mare decâ greutatea Pământului.
•In realitate creșterea bacteriilor este limitată de scăderea substanțelor
nutritive și de mărirea cantității de produse metabolice, toxice.
•Evoluția bacteriană într -un volum limitat de soluție nutritivă, în condiții
constante, este aceeași pentru toate tipurile de bacterii și poate fi
reprezentată prin curba de creștere.

Fazele în creșterea bacteriană :
1. In faza de lag (acomodare) -adaptarea celulelor și
sintetizarea enzimelor necesare metabolizării substratului
(substanța asupra careia acționeaza o enzima în timpul
unei reacții biochimice.
• substratul poate să furnizeze substanțe nutritive
organismului respectiv sau este folosit numai ca suport).
• selectarea celulelor care au posibilități enzimatice de
supraviețuire se face genetic și faza de lag poate dura un
timp îndelungat.
• faza de lag trebuie să aibă o durată foarte mică, -este
preferabil ca însămânțarea instalației să se facă cu o
cantitate suficientă de biomasă deja adaptată la subst.
organice existente.
• In timpul fazei de lag nu există reproducție celulară.
• Dacă X este concentrația celularǎ la t=0, viteza de
creștere este nulă dX/dt=0.2. Faza de creștere exponențială -multiplicarea
celulelor cu viteză constantă, timpul de obținere a
unei generații având valoarea minimă care poate fi
obținută în condițiile date. Nivelul reproducerii
celulare atinge maximul și rămâne constant în
prezența unei concentrații nelimitate de substrat.
• In această fază, celulele sunt mai sensibile la
condiții nefavorabile decât în faza de lag. La culturi
statice, faza de creștere exponențială nu este
lungă, deoarece atât concentrația substantelor
nutritive cât și 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 creștere maximal
•
3. Faza de încetinire -scăderea vitezei de creștere a
elementelor nutritive din soluție sub o anumită
valoare, iar la un moment dat viteza de creștere a
noilor celule devine egală cu viteza de dispariție.
4. Faza staționară
5. Faza de declin (descreștere )
Fazele și ecuațiile prezentate care caracterizează
creșterea bacteriană sunt valabile atât în mediu
aerob cât anaerob. 4
1235
nr de
celule
timp
m=X1•dtdX

Principii generale
ale epurării biologice
• epurarea biologică a apelor uzate nu este o operatie unică, ci o combinație de operații intercorelate care pot diferi
în timp și 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 substanțele organice și substanțele anorganice cu azot în absența oxigenului
molecular, unele reduc azotații la azotiți, NH3 sau N2 și sulfații la H2S.
• autotrofe care obțin energia necesară anabolismului prin fotosinteză sau chemosinteză din substanțe anorganice
(ex. sulfobacteriile oxidează H2S la S sau SO4 -; bacteriile nitrifiante oxidează NH3 la NO2 și NO2 -la NO3 -)
•
Organismele care produc oxidarea substanțelor din apele uzate se împart în:
• obligat aerobe când reacțiile redox au loc numai în prezența oxigenului,
• facultativ aerobe când reacțiile pot avea loc atât în prezența cât și în absența oxigenului,
• obligat anaerobe când reacțiile au loc în absența oxigenului (fermentație) și pentru care oxigenul este toxic.
•
Un aspect deosebit de important în epurarea biologică este transferul de impurități din apa uzată spre biomasă care se
efectuează prin contactul interfacial și prin fenomene de adsorbție și absorbție.
Această etapă este rapidă și eficientă în următoarele condiții:
• interfața dintre apa uzată și biomasă să fie mare,
• gradientul de concentrație a substratului să fie mare,
• la interfață să nu se formeze pelicule lichide care să împiedice transferul de substanțe sau să se acumuleze
substanțe nocive.
Cele mai uzuale modalități de exprimare a concentrației substanțelor organice din apele naturale și apele uzate sunt:
• a)consum chimic de oxigen (CCO);
• b)consum biochimic de oxigen (CBO);
• c)conținutul total de carbon organic (COT).

•In principiu desfășurarea procesului de
epurare biologică se prezintă în cele
ce urmează. Substanțele asimilabile
(CBO) concentrate la suprafața
biomasei sunt adsorbite.
•Substanțele adsorbite sunt
descompuse de către exoenzime
(extracelular). Unitățile mici pătrund în
celule și participă la procesul de
metabolism (catabolism+anabolism) în
prezența enzimelor intracelulare.
•Ca urmare a procesului de anabolism
se formează celule noi, iar din
procesul de catabolism rezultă CO2,
H2O, azotați și alți metaboliți. Deci
concomitent cu eliminarea
substanțelor organice dizolvate se
obține creșterea culturii bacteriene sub
formă de material celular sedimentabil.•Epurarea biologică este procesul
tehnologic prin care poluanții de natură
organică din apele uzate sunt
transformați de o cultură de
microorganisme în produși de
degradare și în masa celulară –
biomasa .
•Populația poate să fie împrăștiată în
volumul de reacție al instalației de
epurare sau poate să fie fixată pe un
suport inert. In primul caz cultura de
microorganisme se numește “nămol
activ” și epurarea se numește
biologică cu nămol activ, iar în cazul al
doilea se dezvoltă un o peliculă
biologică, iar epurarea se realizeaza în
construcții 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
•și
–Reactoare mixte
•Reactoare algo -bacteriene
•Reactoare bacteriene catalizate
•Filtre de nisip lente