Adsorbia metalelor grele (M2+) pe suprafaa sedimentului poate fi reprezentat prin reaciile:2 SOH M S SO M 2 H S

(3.40) (3.41)

SOH M S2 H 2O SO MOH 2 H S

3.4.4. MECANISMUL BIODEGRADRII SUBSTANELOR ORGANICE DIN APELE UZATE

Epurarea biologic este procesul tehnologic prin care impuritile organice din apele uzate sunt transformate, de ctre o cultur de microorganisme, n produi de degradare inofensivi (CO2, H2O, alte produse i n masa celular nou (biomas). Cultura de microorganisme poate fi dispersat n volumul de reacie al instalaiilor de epurare, cultura numindu-se ,,nmol activ.

Epurarea biologic se realizeaz ca urmare a metabolismului bacterian. Metabolismul bacterian reprezint totalitatea proceselor implicate n activitatea biologic a unei celule, prin intermediul crora energia i elementele nutritive sunt preluate din mediul nconjurtor i utilizate pentru biosintez i cretere, ca i pentru alte activiti fiziologice secundare (mobilitate, luminescen etc.). Dup cum procesele metabolice sunt nsoite de consum sau eliberare de energie, ele sunt de dou tipuri: procese de dezasimilaie (exoterme), prin care se elibereaz energie n urma degradrii substanelor din mediu, ele corespund catabolismului. procese de asimilaie (endoterme), n care se sintetizeaz un material celular nou pe baza energiei eliberate n faza anterioar, ele corespund anabolismului.

n ansamblu, diferitele reacii biochimice ale metabolismului ndeplinesc patru funcii eseniale pentru viaa celulei, i anume: producerea subunitilor folosite pentru construcia constituenilor celulari, pornind de la substanele nutritive; eliberarea de energie i stocarea acesteia sub diverse forme; activarea subunitilor de construcie pe baza energiei stocate; formarea de nou material celular prin utilizarea substanelor. Aceste aspecte sunt reprezentate schematic n figura 3.4.

Fig. 3.4. Reprezentarea schematic a procesului de metabolism.

O importan deosebit n epurarea biologic o are transferul de poluani din apa uzat spre biomas prin contact interfacial i prin fenomenul de sorbie (adsorbie i absorbie). Aceste operaii sunt rapide i eficiente n urmtoarele condiii: interfaa ap uzat biomas s fie mare; gradientul de concentraie a substanei de ndeprtat n procesul epurrii biologice s aib pant abrupt, s nu formeze la interfa pelicule lichide care s mpiedice transferul de substane n i din celulele microorganismelor sau s se acumuleze substane nocive. Schematic, procesul de epurare biologic are loc n bioreactor astfel: substanele organice din apele uzate sunt adsorbite i concentrate la suprafaa biomasei.

Aici, prin activitatea enzimelor eliberate de celul (exoenzime), substanele sunt descompuse n uniti mai mici care ptrund n celula microorganismelor unde sunt metabolizate. n interiorul celulei unitile materiale care au ptruns prin membran sunt folosite, pe de o parte, la obinerea energiei n cadrul reaciilor de dezasimilaie, iar pe de alt parte, la crearea unui material celular nou n faza de asimilaie. Principalul fenomen productor de energie, n timpul reaciilor metabolice de dezasimilaie, este formarea apei prin oxidarea biochimic a substanelor organice. Energia produs n aceast faz este utilizat pentru: sinteza unui material celular nou; micarea celulelor mobilitate; respiraie.

Reaciile de dezasimilaie sunt catalizate de enzime ale proceselor de oxido-reducere, aa numitele enzime ale lanului respirator. n cazul n care reaciile de oxidoreducere din interiorul celulei, reaciile de respiraie celular, se fac n prezena oxigenului molecular, reaciile sunt de aerobioz n care se elibereaz ca metabolii n principal: dioxid de carbon, ap i produi de oxidare ai azotului i sulfului. Metaboliii sunt substanele care rezult n urma procesului de metabolism i sunt numii produi ai metabolismului. In cazul n care reaciile de oxido reducere se petrec n absena oxigenului molecular, ultimul acceptor de hidrogen fiind substanele organice, acestea sunt reacii de anaerobioza sau de fermentaie in care se elibereaz dioxid de carbon si alte substane organice ca metabolii.

Procesul de metabolism n regim aerob se prezent schematic n fig 3.5. Reaciile biochimice din mediul aerob produc mai multa energie dect cele din anaerobioza. De exemplu, prin oxidarea glucozei in mediul aerob rezult:

C6 H12O6 O2 CO2 H 2O 1,624 KJIar n cel anaerob:

(3.42)

C6 H12O6 2CO2 2C5 H 5OH 0,053 KJ

(3.43)

Reaciile prezentate sunt efectuate n trepte complicate (de exemplu, in mediul aerob sunt 12 reacii succesive) fiecare treapta fiind catalizata de enzime specifice. Apare, astfel, un sistem molecular multiplu format dintr-un ir de reacii catalizate de enzime specifice. Eliberarea unei cantiti mai mici de energie, n reaciile din mediul anaerob, conduce la sinteza unui volum mai redus de material celular, deci de creterea mai slab a suspensiei bacteriene.

Fig. 3.5. Schema procesului de metabolism n regimul aerob.

Dioxidul de carbon provine din decarboxilarea acizilor organici formai n urma fixrii moleculelor de ap n timpul reaciilor de dezasimilaie. Aadar, oxigenul din dioxidul de carbon provine din ap; numai oxigenul din moleculele de ap, produsul final al respiraiei aerobe, provine din aer. n acest caz celulele vii consum oxigen pentru satisfacerea necesitilor metabolice n degradarea substanelor organice (respiraie de substrat), dar i n absena aportului de materii organice pentru meninerea activitilor vitale (respiraie endogen). Procesul biologic aerob poate fi un proces biochimic cu oxigen n exces, ce are dou faze: faza de carbon care ncepe imediat i dureaz un interval de timp determinat de compoziie, concentraie i temperatur pentru 20C dureaz aproximativ 20 zile.

faza azotului care ncepe mai trziu, dup 4...5 zile i dureaz de 3...4 ori mai mult pentru 20C ncepe dup 10 zile i se desfoar pe 70-100 zile. n faza de carbon procesul de mineralizare se desfoar n conformitate cu legea lui Wilhelmy:

Lt = L0(1 10-k1t)

(3.44)

unde: Lt, L0 - concentraia substanelor organice CBO la momentul t i iniial; k1 constanta vitezei de consum a oxigenului pentru mineralizarea cu ajutorul bacteriilor. Viteza de consum a substanei organice dL/dt se adopt egal cu produsul dintre concentraia de substrat i concentraia microorganismelor S care, la rndul ei, este proporional cu concentraia n materie organic L.

Aadar, este valabil legea:

dL/dt = KLnSm

(3.45)

Datorit faptului c valorile lui K, n, m sunt greu de apreciat se consider, de regul, expresia:

dL/dt = KLS

(3.46)

Rezistena compuilor organici la degradarea biochimic (biodegradare) poate fi descris de raportul CBO5/CCOCr, valoarea acestui raport influennd parametri importani care caracterizeaz cinetica procesului de biodegradare: temperatura i coeficientul de consum ale oxigenului.

Valoarea raportului CBO5/CCOCr descrie concentraiile de compui organici biodegradabili, refractari i a compuilor cu azot, relaiile matematice stabilite ntre concentraiile acestor poluani i raportul CBO5/CCOCr descriind nivelul polurii apelor uzate i al biodegradabilitii poluanilor organici. n epurarea biologic a apelor uzate, concomitent cu eliminarea substanei organice impurificatoare, se obine creterea biomasei sub forma materialului celular insolubil, sedimentabil, precum i produi reziduali (de metabolism sau din distrugerea celulelor), unii uor de ndeprtat (CO2), alii care rmn dispersai n mediul lichid. Aceast substan organic reprezint substratul dezvoltrii microorganismelor din nmolul activ.

n afar de reaciile metabolice, n care substana organic reprezint sursa de carbon i de energie pentru microorganismele heterotrofe, n celule mai intervin importante reacii de ,,detoxicare prin care substanele organice toxice sunt inactivate i eliminate, mai ales prin reacii de formare a combinaiilor complexe, prin metilri, acetilri i mai ales prin conjugri cu acid gliconic sau acid sulfuric. Prin biodegradare se neleg procesele fizico-chimice i biochimice prin care o substan este transformat de ctre organisme, n mediu i condiii naturale sau n mediu i condiii artificiale, n aa fel nct i pierde identitatea, deci biodegradarea poate fi definit ca distrugerea compuilor chimici prin aciunea biologic a organismelor vii. n domeniul proteciei i epurrii apelor pot fi luate n considerare mai multe grade de degradare biologic: primar, terial, acceptabil, total.

Prin biodegradare primar se nelege biodegradarea n msur minim necesar pentru a schimba identitatea compusului. Biodegradarea parial conduce la o succesiune de transformri n molecula substanei, fr ca aceasta s fie complet transformat n compui anorganici (mineralizat). n cazul biodegradrii acceptabile, succesiunea de transformri conduce n msura minim necesar la ndeprtarea unor proprieti specifice, nedorite ale substanei n cauz. Biodegradarea total (mineralizarea, stabilizarea) conduce la transformarea substanei n oxizii elementelor ce o compun.

Nu este suficient ca substana organic impurificatoare s fie degradat cu o vitez oarecare; este necesar ca ea s fie descompus de microorganisme n msura acceptat n timp util. Viteza de degradare este un parametru cinetic important pentru caracterizarea biodegradabilitii unei substane, determinnd cantitatea de produs eliminat din ap n unitatea de timp; n cazul n care o substan este degradat biologic dar cu vitez lent, aceasta va fi evacuat ca atare din instalaia biologic i va tinde s reduc sau s consume total oxigenul dizolvat din rul receptor, pe lng alte aciuni nocive.