Основными процессами обмена веществ являются питание и дыхание.
При питании в клетку из окружающей среды поступают и усваиваются питательные вещества и заключенная в них потенциальная химическая энергия. Питание является процессом ассимиляции, так как здесь наблюдается образование новых веществ.
При дыхании происходит окисление или разложение сложных органических веществ, сопровождающееся выделением энергии, необходимой для процессов жизнедеятельности. Сложные биохимические процессы разделяются на два вида: процессы, связанные с усвоением клеткой питательных веществ из внешней среды (ассимиляция), и процессы распада соединений в организме (диссимиляция).
В теле микроорганизмов содержится более 70 элементов, из которых основными являются углерод, водород, азот, сера, фосфор, калий, кальций, магний и железо. Из них первые четыре элемента называются органогенами, так как они образуют органические вещества и при сгорании выделяются в виде газообразных веществ, а остальные элементы называются минеральными или зольными, потому что при сжигании они образуют золу.
К органическим веществам относятся белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды.
Углеводы играют роль питательного, дыхательного материала и откладываются в клетке в виде запасных питательных веществ.
Питательные вещества попадают в клетку благодаря поверхностному поглощению (адсорбции). Клетка способна притягивать частицы и ионы благодаря наличию заряда, который зависит от pH раствора.
В зависимости от способа усвоения углерода микроорганизмы делятся на автотрофные и гетеротрофные.
Первая группа микроорганизмов может синтезировать органические вещества, используя углекислый газ, воду и минеральные соли. Эти микроорганизмы делятся на фото- и хемоавтотрофы в зависимости от метода использования энергии для синтеза.
Фотоавтотрофы используют энергию Солнца. К этой группе относятся микроорганизмы, имеющие пигменты, действующие подобно хлорофиллу у растений.
Хемоавтотрофы питаются так же, как фотоавтотрофы, только для синтеза они используют химическую энергию, освобождающуюся при реакции окисления различных неорганических веществ.
Гетеротрофные микроорганизмы питаются готовыми органическими веществами. К ним относятся бактерии, плесени и дрожжи (питающиеся мертвой пищей) и паразиты (питающиеся живой пищей), такие как патогенные бактерии, вирусы и бактериофаги.
Кроме углеродного питания микроорганизмы, усваивают азотистые соединения, зольные элементы и витамины.
Так же как все живое, микроорганизмы дышат. При дыхании происходит процесс окисления сложных органических соединений, сопровождающийся выделением энергии, которая идет на поддержание жизнедеятельности клетки.
Микроорганизмы, которые для дыхания используют кислород, называются аэробными. Микроорганизмы, которые не потребляют кислород для дыхания, называются анаэробными. Количество выделяемой энергии зависит от дыхательного материала и степени его окисления. Если процесс окисления идет до конечной стадии, то энергии выделяется больше, чем при неполном окислении. В качестве дыхательного материала могут быть использованы углеводороды, спирты, органические кислоты и др.
Энергия, освобождающаяся при дыхании микроорганизмов, используется ими только на 10-25%. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла, света или электричества. Этим объясняется самонагревание бродящих сред и гниющих материалов (использование навоза в парниках в качестве биологического источника тепла).
Ферменты - это сложные органические вещества, вырабатываемые живыми организмами. Они играют роль катализаторов биохимических процессов, и присутствие их в живых организмах обусловливает сложные химические процессы синтеза и распада. Ферменты, как катализаторы, ускоряют реакцию, но не входят в состав конечного продукта.
Действие ферментов заключается в том, что, вступая во взаимодействие с субстратом, они образуют неустойчивый комплекс субстрат-фермент, в результате чего молекула субстрата деформируется. Это приводит к ослаблению внутримолекулярных связей и облегчает расщепление молекулы.
В отличие от катализатора ферменты катализируют ферментативную реакцию и очень неустойчивы к резким изменениям внешней среды (температуре, pH и химическим реагентам). Оптимальная температура для большинства ферментативных реакций 30-40 °С, максимальная - 55-60 °С. При температуре 80 °С ферменты инактивируются.
При очень малой концентрации фермента и большой концентрации субстрата или при большой концентрации фермента и малой концентрации субстрата скорость ферментативной реакции замедляется. При оптимальной концентрации субстрата скорость реакции прямо пропорциональна концентрации фермента.
Таблица 17. Допустимые максимальные концентрации вредных веществ в сточных водах, для которых возможно биологическое их окисление
| Вещество | Допустимая концентрация вредных веществ в сточных водах, мг/л | Степень удаления в процессе полной биологической очистки, % |
| Нефть и нефтепродукты[2] | 25 | 85 - 90 |
| Синтетические ПАВ[3]: | ||
| биологически мягкие (окисляющиеся на сооружениях биологической очистки) анионные | 20 | 80 |
| то же, неионогенные | 50 | 90 |
| промежуточные анионные | 20 | 60 |
| то же, неионогенные | 20 | 75 |
| Формальдегид | 25 | 80 |
| Сульфиды | 1 | 99,5 |
| Медь | 0,5 | 80 |
| Никель | 0,5 | 50 |
| Кадмий | 0,1 | 60 |
| Хром (трехвалентный) | 2,5 | 80 |
| Цинк | 1 | 70 |
| Сернистые красители | 25 | 90 |
| Мышьяк | 0,1 | 50 |
| Цианиды[4] | 1,5 | - |
| Ртуть | 0,005 | - |
| Свинец | 0,1 | 50 |
| Кобальт | 1 | 50 |
Содержание микроорганизмов в воде зависит от ее загрязненности органическими веществами. Глубинные воды (артезианские, ключевые) содержат мало микроорганизмов, а поверхностные много. В основу очистки поверхностных вод заложен процесс самоочищения. Он основан на использовании микроорганизмами в качестве пищи веществ, находящихся в воде. Микроорганизмы разлагают эти вещества и, лишая себя пищи, погибают.
Но количество загрязнений, при котором еще живут и работают микроорганизмы, не должно быть и очень высоким. Существуют допустимые максимальные концентрации вредных веществ, при которых микроорганизмы еще могут существовать. Таким образом, существует зависимость между количеством микроорганизмов и концентрацией загрязнений. Интенсивность и эффективность биологической очистки сточных вод зависят от скорости размножения бактерий.
В процессе очистки сточных вод обычно встречается многокомпонентный субстрат, т.е. воды, загрязненные многими органическими и неорганическими веществами. Микроорганизмы питаются различными загрязнениями. Поэтому в зависимости от питательной среды одни микроорганизмы развиваются, а другие гибнут. Изменяя приток и концентрацию сточных веществ, можно регулировать процесс физиологической активности микроорганизмов и тем самым изменять степень очистки сточных вод.
С одной стороны в сооружения подаются активный ил и питательная среда, которые идеально перемешиваются и движутся в поршневом режиме вдоль сооружения. При такой схеме работы аэротенка в начале сооружения количество микроорганизмов незначительно, а в конце сооружения достигает максимума. Распределение питательных веществ происходит в обратном порядке.
Активный ил представляет собой мелкие хлопья от светлого до темно-коричневого цвета, которые состоят из большого числа многослойно расположенных или флокулированных клеток. Активный ил - это аморфный коллоид.
Биопленка представляет собой слизистые образования толщиной 1-2 мм и более того же цвета, что и активный ил.
Активный ил - это сложный комплекс микроорганизмов различных групп, таких как бактерии, простейшие и грибы. Между этими видами микроорганизмов существует определенная связь. Они могут складываться как симбиотические или как антагонистические. Часто продукты жизнедеятельности одних микроорганизмов служат питанием других (метабиоз).
Для каждого вида микроорганизмов существуют свои минимальные, оптимальные и максимальные температуры. В зависимости от отношения к температуре микроорганизмы можно подразделить на термофильные, мезофильные и психрофильные.
Температуры сточных вод на нефтебазах в течение года колеблется от 0 до 35 °С. Такой большой диапазон температур вызывает резкое изменение в поведении микроорганизмов. Резкие перепады температур неблагоприятно влияют на жизнедеятельность микроорганизмов.
При низких температурах процесс жизнедеятельности микроорганизмов и процесс биологической очистки замедляются, а также ухудшается глубина очистки и процесс флокуляции. Ухудшение процесса флокуляции приводит к выносу отдельных микроорганизмов из вторичных отстойников.
Чем выше температура, тем меньше кислорода растворено в воде. В зимний период растворенного в воде кислорода больше, однако активность микроорганизмов ниже и, следовательно, количество потребляемого ими кислорода меньше. Поэтому для поддержания высокой активности микроорганизмов в летний период необходимо усилить аэрацию. Для увеличения эффективности очистки сточных вод в зимний период следует увеличить количество микроорганизмов в очистных установках. Качество очистки сточных вод зависит от наличия кислорода в воде.