Биохимические процессы наиболее сложны, поскольку подчи­няются законам биологической кинетики, т. е. временным законо­мерностям, характерным для живой природы. В основе биохимиче­ских процессов лежат сложные химические реакции различного
типа. Биохимический процесс окисления кислородом органических веществ осуществляется сообществом микроорганизмов (биоцено­зом), включающим множество различных бактерий, связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма).

Важнейшая роль в этом процессе принадлежит бактериям, спо­собным образовывать активный ил, который состоит из большого числа бактерий. В процессе биохимических реакций происходит трансформация органических веществ.

Направление и скорость трансформации зависят от температу­ры, поверхностей раздела, биологических и химических катализа­торов и ингибиторов, рН среды и ее газового состава, состояния микробиологического сообщества и др. Трансформирующиеся орга­нические вещества могут находиться в виде истинно растворенных частиц (молекул, ионов, свободных радикалов) или в виде колло­идных и взвешенных частиц. Количество промежуточных продук­тов и число элементарных стадий трансформации каждого из ве­ществ исчисляется десятками и сотнями.

Условно процесс трансформации органических составляющих можно разделить на три стадии. На первой стадии происходит мас - сопередача вещества к поверхности клетки; на второй - диффузия вещества через полунепроницаемые мембраны клетки и на третьей стадии осуществляется метаболизм диффундированных продуктов с выделением энергии и синтезом нового вещества. Основную роль играют собственно биохимические процессы, протекающие внутри клеток микроорганизмов, но немаловажное значение имеют и про­цессы массопереноса (сорбции и диффузии).

Процессы биохимической очистки протекают с большой скоро­стью, являющейся следствием способности микроорганизмов к быс­трому размножению в присутствии органических веществ.

Большую роль в протекании биохимических процессов играет кислород воздуха, который в зависимости от вида бактерий может либо способствовать разрушению отходов, либо препятствовать ему (аэробные и анаэробные процессы).

На протекание биохимических процессов влияют также неко­торые вещества, содержащиеся в очищаемой среде. Так, при очи­стке сточных вод биохимическими методами предельно допустимое содержание ряда металлов в воде чрезвычайно мало, в частности, со­держание ионов мышьяка и сурьмы не должно превышать 0,2 г/м, меди - 0,4, шестивалентного хрома - 0,5, никеля и свинца - 1 г/м. Эти металлы и ряд других, в том числе органических, сое­динений являются ядами для бактерий.

Биохимические методы находят применение в ряде рекупера - ционных процессов, в частности для очистки сточных вод, очистки почвы от нефти и в других случаях.

Высокая концентрация в промышлен­ных сточных водах трудноокисляемых и токсичных соединений, нестабильность их объема обусловили необходимость применения многоступенчатых систем биологической очистки, основным эле­ментом которых является аэротенк (рис. 6.58).

В связи с необходимостью интенси­фикации процессов очистки сточных вод широкое применение получил способ био­химической очистки с использованием технического кислорода или обогащенно­го кислородом воздуха. Очистные соору­жения, в которых применяется этот спо­соб, получили название окситенков.

Применение кислорода обеспечивает:

Экономию электроэнергии;

Повышение скорости насыщения сточных вод кислородом до бо­лее высоких концентраций (около 10 мг/л) даже при атмосферном давлении;

Гибкость и устойчивость работы установок при изменении на­грузки;

Увеличение (примерно на 30%) скорости отстаивания сточных вод после биологической очистки.

Конструктивно окситенки могут быть открытыми или закрыты­ми. Закрытые окситенки выполняются в виде одной или несколь­ких (до четырех) последовательно соединенных по газовой и жид­кой фазам герметизированных камер. В первую камеру вводится сточная вода и технический кислород, обеспечивающий небольшое избыточное давление в газовой фазе. По мере прохождения через камеры вода очищается, а концентрация кислорода в газовой фазе снижается. Из последней камеры газ выходит в атмосферу, а очи­щенная вода поступает во второй отстойник. Рециркуляционный поток активного ила из второго отстойника возвращается в первую камеру, а избыточный активный ил выводится из системы.

Использование окситенков позволяет сократить площади, отво­димые под очистные сооружения. Производительность действую­щих очистных сооружений при переоборудовании аэротенков в ок­ситенки может быть увеличена без расширения территории очист­ных сооружений.

Другим примером использования биохимических процессов при переработке отходов являются способы очистки земной и водной поверхностей от нефтяных загрязнений. Участвующие в процессе биохимической обработки поверхности бактерии превращают раз­литую на ней нефть в безвредные продукты своей жизнедеятельно­
сти. Широко используются биохимические процессы при перера­ботке твердых отходов органического происхождения.

Так, при биотермическом компостировании органические отхо­ды в горизонтальных вращающихся барабанах подвергаются воз­действию аэробных бактерий, выделяющих в результате своей жизнедеятельности тепло, которое необходимо для повышения их биологической активности. Ускорению протекания процесса спо­собствуют (помимо поддержания температуры в заданном интерва­ле) измельчение отходов с целью увеличения поверхности контак­та, аэрация перерабатываемых отходов, создание необходимой влажности, перемешивание отходов.

Наряду с биохимической переработкой в условиях промышлен­ных предприятий - мусороперерабатывающих заводов - широко используется и полевое компостирование твердых бытовых отхо­дов. При биохимической переработке органических отходов наряду с их разложением происходит синтез новых органических веществ. Образующийся продукт - компост - используется в сельском хо­зяйстве.

Органические отходы, в частности отходы пластмасс, лесопере­рабатывающей, пищевой и других отраслей промышленности, сельского хозяйства, а также бытовые отходы, можно использовать для получения энергии, разлагая их с помощью микроорганизмов до сбраживаемых соединений.

Объемы образования таких отходов велики, из чего следует перспективность данной технологии. К таким отходам относятся опилки, древесная стружка, зелень, шелуха и солома злаковых растений, отходы корнеплодов и фруктов, молочная сыворотка и многие другие продукты.

Например, при микробном разложении и последующих превра­щениях древесных и других содержащих углеводы отходов получа­ют этиловый спирт, являющийся ценным сырьем для химической промышленности.

Одной из реальных биотехнологий является получение из влажных органических отходов биогаза, представляющего собой смесь из 65% метана, 30% углекислого газа, 1% сероводорода и незначительных количеств азота, кислорода, водорода и других га­зов. 1 м биогаза по теплоте сгорания эквивалентен 0,6 м природ­ного газа, 0,74 м нефти или 0,65 м дизельного топлива. Биогаз горит, образуя пламя синего цвета, не имеет запаха, а при сгора­нии не выделяет дыма.

Образование биогаза в значительных количествах происходит на полигонах твердых бытовых отходов в теле захоронения при воздействии бактерий в результате анаэробного разложения орга­нических продуктов. На ряде полигонов этот газ собирается и по системе трубопроводов, специально уложенных в теле захоронения при формировании полигона, подается на реализацию с целью получения тепловой и электрической энергии. Сбор и утилизация биогаза не только способствуют рациональному использованию ре­сурсов, но и позволяют избежать загрязнения атмосферного возду­ха в районе расположения полигона.

Анаэробная технология совместной переработки твердых быто­вых отходов и илистого осадка сточных вод позволяет сократить объем отходов на 30 - 40%. Для этого отходы смешивают с актив­ным илом в соотношении 3,5 : 1 (по объему) и полученную смесь размещают на площадке с водонепроницаемым основанием из гли­ны, уплотняют и герметично изолируют от окружающей воздуш­ной среды, т. е. процесс протекает в анаэробных условиях. Влаж­ность среды должна составлять 70 - 75%. Смешивание твердых бытовых отходов с активным илом увеличивает выход метана, со­кращает продолжительность разложения отходов в 4 - 5 раз и - самое главное - снижает период стабилизации полигонов отходов со 100 до 10 - 15 лет.

В процессе биометаногенеза органических отходов участвуют три группы бактерий, последовательно воздействующих на них и на продукты их брожения. С биохимической точки зрения при превращении органических отходов в метан электроны органиче­ских молекул переносятся на углекислый газ, который восстанав­ливается до метана. Донорами электронов являются уксусная кис­лота и водород, вырабатываемые бактериями.

С точки зрения эколога метаногенез - важный процесс в угле­родном цикле биосферы, так как позволяет самой природе ликви­дировать органические отходы.

Биотехнология может быть использована не только для полного разложения каких-либо отходов, но и для превращения токсичных продуктов с помощью бактерий в вещества, не представляющие опасности для окружающей среды.