№11|2010

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

bbk 000000

УДК 628.336.1:54:57

Щетинин А. И.

Элементный состав активного ила

Аннотация

Представлен обзор литературных данных об элементном составе компонентов активного ила, образующегося при биологической очистке сточных вод. Рассмотрены брутто-формулы органического вещества активного ила, органического вещества различных микроорганизмов, белка, РНК и ДНК, углеводов, жиров, фульвокислот и гуминовых кислот. По литературным данным о семи клеточных компонентах для клеток Escherichia coli получена брутто-формула, которая предлагается для биомассы всех микроорганизмов активного ила. Для этого элементного состава характерно соотношение ThOD : VSS = 1,42, совпадающее с известными значениями для клеточного вещества COD : N : P = 50 : 5 : 1, что для исходного субстрата близко к известному соотношению BCOD : N : P = 100 : 5 : 1. Описанные компоненты позволяют определять элементный состав внеклеточных веществ активного ила.

Ключевые слова

, , , , ,

 

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Биологические процессы очистки сточных вод основаны на росте микроорганизмов, в биомассу которых преобразуются загрязняющие примеси. При этом все органическое вещество, потребляемое активным илом и выраженное в единицах ХПК (COD), т. е. биологически потребляемая ХПК – БХПК (BCOD), можно разделить на две части:

  • используемое для энергетических нужд, или БПК (BOD);
  • превращающееся в биомассу, или прирост.

Если конечными продуктами энергетического обмена являются вода и углекислота, то речь идет об аэробных процессах, осуществляемых активным илом или биопленкой, т. е. свободно плавающим или прикрепленным аэробным биоценозом, целевое назначение которых – очистка сточных вод от загрязняющих примесей. Аэробные гетеротрофные бактерии и другие микроорганизмы для энергетических нужд используют главным образом вещества, содержащие углерод C, кислород O и водород H. Для построения новых клеток, помимо этих элементов, используются азот N, фосфор P, сера S и различные микроэлементы [1]. Все модели процессов биологической очистки сточных вод в той или иной мере построены на материальном балансе элементов, вовлеченных в процесс [2]. Однако степень этой детализации недостаточна и мало обоснована.

Целью настоящей работы является теоретическое определение стехиометрических соотношений, необходимых для расчета и моделирования процессов биологической очистки, прежде всего процессов с активным илом.

Известно, что сухое вещество активного ила состоит из минеральных и органических веществ. Минеральные вещества состоят из нерастворимых частичек, поступающих с исходной сточной жидкостью, а также минеральных соединений, обнаруживаемых в золе при сжигании образцов активного ила [3] (большая часть соединений фосфора, магния, калия, натрия).

Органическая часть активного ила состоит из клеточного и внеклеточного вещества. Клеточные вещества в основном являются биополимерами и включают в себя белки, ДНК, РНК, липиды, липополисахариды, пептидогликан клеточной стенки и запасные вещества (гликоген, полиоксикислоты) [1]. Внеклеточные вещества активного ила также являются полимерами и включают в себя полисахариды, белки, гуминовые вещества, уроновые и нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) [4]. Элементный состав и содержание этих веществ в активном иле известны, однако эти сведения практически не используются для определения стехиометрических соотношений в процессах с активным илом.

Существует несколько способов выражения элементного состава вещества:

  • стехиометрическая формула, учитывающая количество атомов каждого элемента в молекуле вещества;
  • стехиометрические соотношения типа P/ThOD, N/Thod, S/Thod (ThOD – теоретическое потребление кислорода);
  • приведенная стехиометрическая формула, в которой содержание всех элементов соотнесено к одному атому углерода.

Первый способ выражения элементного состава применяется для характеристики относительно низкомолекулярных органических соединений, таких как сахара, аминокислоты, нуклеотиды и др. Для характеристики полимеров он не пригоден, так как на результат влияет степень полимеризации. Еще больше усложняет задачу присутствие нескольких видов биополимеров: очень сложно сопоставлять вещества, кроме того, трудно определить, с какой точностью получена характеристика.

Второй способ наиболее часто применяется при моделировании процессов биологической очистки.

Третий способ является наиболее удобной формой записи. Во-первых, он легко позволяет вводить новые минорные элементы, например серу, калий и др. Во-вторых, он обеспечивает любую точность. В-третьих, эта форма записи используется в современных методах моделирования, имеющих общее название «динамический энергетический бюджет» (Dynamic Energy Budget). В настоящей работе применяются второй и третий способы выражения элементного состава.

Для расчетов использовались литературные данные о составе тех или иных веществ. Расчет теоретической потребности в кислороде (ThOD) производили в соответствии с уравнением:

11_09_form_01-04

где Ri – радикалы аминокислот, характеристика которых приведена в табл. 1.
11_09_tabl_01

В том случае, если в исходных данных глутамин Gln и глутаминовая кислота Glu, а также аспарагин Asn и аспарагиновая кислота Asp были представлены смесями Glx и Asx, то в расчетах принимали равное количество аминированных и кислотных остатков.

При расчетах элементного состава нуклеиновых кислот принимали во внимание полимеризацию, и из состава каждого нуклеотида вычитали молекулу воды. Элементный состав нуклеотидных остатков в составе ДНК и РНК представлен в табл. 2.

11_09_tabl_02

Данные о характеристике различных компонентов активного ила, опубликованные в мировой научной литературе [1–18], приведены в табл. 3 (VSS – органическая составляющая взвешенных веществ, так называемые «летучие взвешенные вещества» – vollatile suspended solids).

11_09_tabl_03-04

Как видно из табл. 3, состав активного ила и его компонентов по данным различных источников изменяется в широких пределах, что противоречит общепринятому мнению о постоянстве элементного состава клеток [5]. Пересчет элементного состава белков из различных литературных источников приведен в
табл. 4.

Как видно из табл. 4, соотношение ThOD/VSS колеблется от 1,48 до 1,543, т. е. приблизительно в пределах 4%. Это существенно меньше, чем по табл. 3 (около 40%). Соотношение N/ThOD колеблется от 0,11 до 0,12, что также меньше, чем по табл. 3. Наибольшие колебания наблюдаются для содержания серы (соотношение S/ThOD равно 0,005–0,011), что, возможно, связано с трудностями определения метионина и цистеина. Данные о нуклеиновых кислотах (табл. 3) ограничены единственным источником [6], в котором приведены стехиометрические формулы нуклеиновых кислот Escherichia coli. Поэтому представлялось интересным выяснить возможные пределы колебаний стехиометрических соотношений у нуклеиновых кислот.

Элементный состав нуклеиновых кислот зависит от нуклеотидного состава. Известно, что ДНК разных бактерий может содержать от 22 до 75,5% GC-пар [19; 8]. Колебания в содержании нуклеотидов в РНК бактерий составляют [7]: A – 21,5–28,5%; G – 27,6–34,2%; U – 18,3–27,3%; C – 18,8–23,6%.

Приведенные амплитуды колебаний позволяют определить три возможных состава РНК:

  • средний (25% A; 31% G; 22,8% U; 21,2% C);
  • с минимальным содержанием аденина (21,5% A; 27,6% G; 27,3% U; 23,6% C);
  • с максимальным содержанием аденина (28,5% A; 34,2% G; 18,5% U; 18,8% C).

Результаты расчетов для перечисленных вариантов ДНК и РНК приведены в табл. 5.

11_09_tabl_05-07

Как видно из табл. 5, возможные колебания в нуклеотидном составе ДНК приводят к колебаниям соотношения ThOD/VSS от 0,825 до 0,885, т. е. приблизительно на 7%. Такие же колебания (7%) характерны и для содержания фосфора. Колебания в содержании азота достигают 14%. Колебания в содержании нуклеотидов в РНК приводят к изменениям в определяемых соотношениях, которые не превышают 5%. Присутствие нескольких видов бактерий и разбавление другими высокополимерными соединениями внутри клеток будут усреднять стехиометрические соотношения, характерные для клеточного вещества. Отмеченные в табл. 5 возможные изменения стехиометрических отношений нуклеиновых кислот не могут объяснить колебания стехиометрических отношений клеток микроорганизмов и активного ила (табл. 3).

Обычным явлением считается обобщение белков и нуклеиновых кислот в единое понятие (например, общий протеин). Однако данные табл. 4 и 5 показывают, что соотношение белки/нуклеиновые кислоты может существенно изменять стехиометрические соотношения, особенно для фосфора. Скорость метаболизма нуклеиновых кислот и белков также должна различаться, что существенно при моделировании процессов с активным илом.

О видовом составе бактерий известно довольно много, однако об элементном составе самих бактерий разных видов имеются лишь отрывочные данные. Наиболее полные данные имеются для Escherichia coli, которая считается «образцом» бактериальной клетки и которая, как это ни парадоксально, не должна присутствовать в сточных водах, так как является показателем фекального заражения сточных вод. В табл. 6 приведены данные расчетов для клеток наиболее типичных представителей бактерий активного ила. Данные о содержании биополимеров в клетках приняты по [1; 6].

В табл. 7 приведены стехиометрические соотношения, обычно используемые в математических моделях активного ила ASM (Activated Sludge Models) [7; 8; 14]. Приведенные значения являются результатом «калибровки» процесса биологической очистки [11].

Сопоставительная оценка стехиометрических соотношений (табл. 6 и 7) показывает, что биомасса бактерий XH, XA, XPAO имеет несколько более высокое соотношение COD/VSS = 1,48, чем теоретическая потребность в кислороде бактериальных клеток ThOD/VSS = 1,423 по табл. 6. Содержание азота в биомассе бактерий (табл. 7) составляет N/COD = 0,07, что существенно ниже, чем N/ThOD = 0,101 (табл. 6). Содержание фосфора в биомассе гетеротрофных, автотрофных и фосфораккумулирующих бактерий (табл. 6 и 7) практически совпадают.

Содержание азота в биологически разлагаемых и неразлагаемых растворенных и нерастворенных веществах (SS, SI, XS, XI) не соответствует ни одному из компонентов табл. 6. Это свидетельствует о том, что эти ингредиенты, принятые в моделях ASM, являются смесью веществ.

Таким образом, состав клеточного вещества, обычно принимаемого в моделях ASM, существенно отличается от теоретически рассчитанного. Особенно велики различия в содержании азота. Это может существенно сместить оценки прироста биомассы и инертных веществ в моделях ASM. Обращают на себя внимание некоторые особенности формулы клеточного вещества (табл. 6):

ThOD/VSS = 1,42, т. е. такое же, как и у наиболее широко распространенной формулы активного ила C5H7O2N и органического вещества сточной жидкости C18H19O9N или C1H1,056O0,5N0,056 [11];

в соответствии со стехиометрическими соотношениями табл. 7, для клеточного вещества COD : N : P = 50 : 5 : 1. Если принять, что для создания 50 мг COD клеточного вещества потребуется 100 мг COD исходной сточной жидкости, то для нее будет характерно соотношение BCOD : N : P = 100 : 5 : 1. Это соотношение часто используется для оценки достаточности биогенных веществ в сточной жидкости;

компоненты клеток, описанные в табл. 6, позволяют проводить различные проверочные расчеты. Например, в источнике [1] приводятся часто встречающиеся данные об элементном составе бактерий:

C – 50%; O – 22%; N – 12%; H – 9%;
P – 2%; S – 1%; другие – 4%.

Этому элементному составу соответствует формула C1H2,16O0,33N0,2057P0,0156S0,075, которая существенно отличается от предлагаемой. Этой формуле соответствует теоретическая потребность в кислороде ThOD/VSS, равная 1,7379 ≈ 1,738.

Содержание белка и нуклеиновых кислот (РНК, ДНК-RNA, DNA), согласно [1], составляет 0,55; 0,205; 0,031 соответственно. После вычитания значений, соответствующих доле этих веществ, формула остаточных соединений будет иметь вид:

C1H3,25O0,217N0,027P0,014S0,087.

Этой формуле соответствует теоретическая потребность в кислороде:

ThOD/VSS = 2,769.

Из вышеизложенного следует, что компонентов активного ила с такой потребностью в кислороде не существует. Поэтому исходные данные ошибочны. Данные табл. 6 позволяют проводить анализ состава загрязняющих примесей биологического происхождения, содержащихся в сточной жидкости.

Выводы

На основе теоретического анализа состава биополимеров рекомендуется формула C1H1,619O0,379N0,246P0,022S0,004, которая предлагается для биомассы всех микроорганизмов активного ила. Элементный состав клеточного вещества несколько отличается от общепринятых значений. Полученные соотношения позволяют проводить анализ исходных данных о составе биомассы и загрязняющих примесей биологического происхождения. Приведенные данные могут существенно изменить константы, используемые в математическом моделировании процессов биологической очистки.

 

Список цитируемой литературы

  1. Wastewater engineering – treatment and reuse (4th edition): Metcalf and Eddy / Rev. Tchobanoglous G., Burton F. L., Stensel H. D. – New York: McGraw-Hill, 2003.
  2. Takcs I., Vanrolleghe P. A., Wett B., Murthy S. Elemental balance based methodology to establish reaction stoichiometry in environmental modelling // Water Science & Technology. 2007. № 56 (9).
  3. Ekama G. A., Wetzel M. C. Modelling inorganic material in activated sludge systems // Water SA. 2004. V. 30. № 2.
  4. Liu H., Fang H. H. Extraction of extracellular polymeric substances (EPS) of sludges // J. of Biotechnology. 2002. № 95.
  5. Минкевич И. Г., Ерохин В. К., Алексеева Т. А., Терещенко А. П. Элементный состав и содержание энергии в микроорганизмах // Микробиологическая промышленность. 1977. № 2 (144).
  6. Lequex G. Metabolic modeling and analysis for the optimisation of Escherichia coli as production host: Ph. D. Thesis. – Univeresiteit Gent, 2008.
  7. Gujer W., Henze M., Mino T., Van Loosdrecht M. Activated sludge Model № 3 // Water Scienсе and Technology. 1999. № 39 (1).
  8. Henze M., Gujer W., Mino T., et al. Activated sludge Model № 2. ASM2d // Там же.
  9. Kayser A., Weber J., Hent V., Rinas U. Metabolic flux analysis of Escherichia coli in glucose – limited continuos culture. I. Growth-rate dependent metabolic efficiency at steady state // Microbiology. 2005. № 151.
  10. McCarty P. L. Stoichiometry of biological reactions // Progress in Water Technology. 1975. V. 7. № 1.
  11. Хенце M., Армоес П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. Очистка сточных вод: биологические и химические процессы. – М.: Мир, 2004.
  12. Перминова И. В. Анализ, классификация и прогноз свойств гумусовых кислот: Автореф. дисс. … доктора хим. наук. – М., 2000.
  13. Polak J., Bartoszek М., Sulkowski W. W. Comparison of humificftion processes during sewage purification in treatment plant with different technological processes // Water Research. 2009. № 34 (17).
  14. Rieger L., Koch G., Kuhni M., et al. The eawag BIO-P module for Activated Sludge Model № 3 // Water Research. 2001. № 35 (18).
  15. Stemann S. W., Wentzel M. C., Ekama G. A. Towards developing a mass balances based wastewater treatment plant model: Proceedings of the 9th Biennial WISA Conference and Exhibition, 2006.
  16. Vesilind P. A. Wastewater treatment plant design. – IWA Publication, 2003.
  17. Яковлев С. В., Карюхина Т. А. Биохимические процессы при очистке сточных вод. – М.: Стройиздат, 1980.
  18. Заварзин Г. А. Лекции по природоведческой микробиологии. – М.: Наука, 2003.
  19. Petermann M. L. The physical and chemical properties of ribosomes. – Amsterdam–London–New York: Elsevier publishing company, 1964.

Российская ассоциация водоснабжения и водоотведения

ecw18 vst 200

VAK2

100х100 Aquatherm18

100х100 stroi ural

Трубопроводная арматура АБРАДОКС, АБРА, ABRADOX, ABRA

Авторизация

Внимание! Рекомендуется просматривать сайт максимально свежими версиями браузеров. Некоторые устаревшие версии (IE 8) не смогут корректно скачать материалы номеров журнала.