Wtórne oczyszczanie ścieków (z wykresem)

Przeczytaj ten artykuł, aby dowiedzieć się więcej o wtórnym oczyszczaniu ścieków.

Wtórne traktowanie jest również znane jako leczenie biologiczne. Jest zdolny do eliminowania biodegradowalnych rozpuszczonych i / lub zawieszonych substancji organicznych. W wyniku oczyszczania wtórnego można również usuwać rozpuszczone związki azotu i fosforu ze strumienia ścieków.

Substancje organiczne, które ulegają degradacji w obecności mikroorganizmów (mikroby, które są wszechobecne) są określane jako substancje biodegradowalne. Mikroorganizmy wytwarzają enzymy (złożone substancje białkowe), które działają jako katalizatory procesów biodegradacji. Procesy te zachodzą w serii reakcji, które nazywane są szlakami biochemicznymi.

Reakcje mogą zachodzić w obecności rozpuszczonego tlenu. Są one nazywane reakcjami tlenowymi (procesami). Niektóre reakcje zachodzą w całkowitej nieobecności tlenu. Są one określane jako beztlenowe / obligatoryjne procesy beztlenowe. Reakcje zachodzące w warunkach tlenowych różniłyby się od reakcji w warunkach beztlenowych.

Istnieje kilka drobnoustrojów zdolnych do przeprowadzania reakcji biologicznych zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych. Mikroby te nazywane są drobnoustrojami fakultatywnymi, a procesy określane są jako fakultatywne.

Do biologicznego oczyszczania ścieków zawierających substancje organiczne (rozpuszczone i / lub zawieszone) stosuje się wiele mikroorganizmów, a utrzymywane warunki mogą być tlenowe lub beztlenowe. Aby lepiej zrozumieć te procesy, konieczne jest poznanie podstawowych cech różnych rodzajów drobnoustrojów, które są krótko omówione poniżej.

Podstawy drobnoustrojów:

Przed wynalezieniem mikroskopu istoty żywe podzielono na dwie grupy, a mianowicie rośliny i zwierzęta. Rośliny są unieruchomione, podczas gdy zwierzęta są ruchliwe. Po wynalezieniu mikroskopu widoczne stały się mikroby / mikroorganizmy. Mają podstawowe cechy żywych istot, to znaczy są zdolne do reprodukcji siebie, ale strukturalnie różnią się od makro-roślin i zwierząt. Mikroskopijne żywe istoty określane są jako protisty.

Protisty mają stosunkowo prostą strukturę. Mogą być jednokomórkowe lub wielokomórkowe. Nawet w komórkach wielokomórkowych komórki nie różnią się wewnętrznie i nie są zorganizowane jako tkanki. Makro-rośliny i zwierzęta mają tkanki, które pełnią różne funkcje. Klasyfikacje protisty podano w tabeli 9.3.

Rysunki 9.19A i 9.19B przedstawiają typowe struktury komórek prokariotycznych i eukariotycznych.

Poza protistami istnieje kilka submikroskopowych żywotnych cząsteczek zwanych wirusami. Są one widoczne tylko pod mikroskopem elektronowym. Ich wielkość waha się między 0, 02-0, 08 po południu. Zasadniczo są to DNA lub RNA otoczone otoczką białka. Nie są zdolne do reprodukcji na własną rękę. Zarażają komórki gospodarza i indukują je do replikacji siebie, a tym samym powodują więcej wirusów.

Prokaryotes:

Prokarionty są jednokomórkowe i zwykle mają średnicę mniejszą niż 5 μm. Mają bardzo prostą strukturę i są ograniczone membraną. Większość z nich ma sztywne ściany komórkowe. Wewnątrz komórki znajduje się jądro i cytoplazmę. Jądro nie jest oddzielone od cytoplazmy przez błonę. Enzymy biorące udział w oddychaniu i reakcjach fotosyntetycznych znajdują się w błonie komórkowej lub w jej fałdowaniu. Prokarionty nie są fagotropowe, tzn. Nie mogą przyjmować pokarmów.

Wydzielają one zewnątrzkomórkowe enzymy hydrolityczne, które hydrolizują zawieszone cząstki organiczne i rozpuszczają duże cząsteczki organiczne w mniejsze. Hydrolizują mniejsze cząsteczki, a następnie wchodzą do komórek za pomocą różnych mechanizmów. Prokarioty zwykle poruszają się za pomocą wici, które są spiralną włócznią wystającą przez błonę komórkową. Zasadniczo istnieją dwie grupy prokariotów, mianowicie bakteryjne i niebiesko-zielone algi.

Bakteria:

Bakterie są jednokomórkowe. Ich wielkość wynosi od 0, 2 do 2 μm. Są one podzielone na trzy grupy: mykobakterie, krętki i eubakterie. W zależności od ich kształtu określa się je jako ziarniste (kuliste), pręciki (podobne do prętów) i spiry (spirale).

Myxobacteria mają kształt pręcika, mają cienkie, delikatne ściany. Poruszają się poprzez szybowanie. Uzyskują pokarm poprzez dzielenie (analizowanie) innych organizmów, takich jak bakterie, grzyby, algi itp. Spirochetki mają kształt helowy w kształcie delikatnych, elastycznych ścian. Jest stosunkowo długa w porównaniu do ich szerokości. Żyją w błocie i wodzie i są beztlenowe. Niektóre są pasożytnicze.

Eubakterie:

Bakterie inne niż myksobakterie i krętki są zgrupowane jako eubakterie. Ich kształty mogą być podobne do sferycznych lub spiralnych. Niektóre z nich mają wici i są ruchliwe, podczas gdy inne są nieruchome. Zostały one podklasyfikowane zgodnie z ich właściwościami metabolicznymi i energetycznymi. Ogólnie rzecz biorąc, są one jednokomórkowe, ale niektóre tworzą skupiska, podczas gdy inne są nitkowate.

Niebiesko-zielone algi:

Mogą być jednokomórkowe lub wielokomórkowe. Mnożą się przez rozszczepienie binarne. Wielokomórkowe są filamentami identycznych komórek, które są ze sobą połączone wspólną ścianą zewnętrzną. Krótka część włókna zawierającego kilka komórek zostaje uwolniona, a uwolnione włókno zwiększa się w wyniku podwójnego podziału komórek w jednej płaszczyźnie.

Jednokomórkowe włókna są nieruchliwe, podczas gdy włókna wielokomórkowe mogą ślizgać się. Niebieskozielone algi są fotosyntezy. Ich kolor jest ogólnie niebiesko-zielony. Niektóre gatunki mają kolor czerwony, fioletowy, brązowy i czarny. Niektóre gatunki mogą utrwalać atmosferyczny azot.

Eukariota:

Eukarionty mają bardziej złożoną strukturę niż prokariota. Ich średnica wynosi ponad 20 wieczorem. Każda komórka ma kilka organelli, takich jak jądro, mitochondria, retikulum endoplazmatyczne, aparat Golgiego, wakuole, lizosady, rybosomy, chloroplasty itd. Każda z nich ma określoną funkcję. Każda komórka ma zewnętrzną błonę komórkową. Niektóre mają ściany komórkowe. Wewnętrzne organelle są ograniczone błonami.

Komórki eukariotyczne bez ścian komórkowych wykazują ruch amorokokowy z powodu ruchu cytoplazmatycznego, zwanego strumieniem cytoplazmatycznym. Osoby ze ścianami komórkowymi poruszają się za pomocą wici. Eukarionty zostały podzielone na trzy grupy, a mianowicie glony, pierwotniaki i grzyby.

Eukariotyczne glony :

Mogą być jednokomórkowe lub wielokomórkowe. W komórkach wielokomórkowych komórki nie różnią się od siebie. Są fotosyntetyczne, niektóre mają ściany komórkowe, a więc są osmotroficzne. Osoby bez ścian komórkowych przyjmują mniejsze organizmy fagotroficznie. Mogą rosnąć w mediach nieorganicznych. Nie mają one znaczenia w oczyszczaniu ścieków.

Jednak symbiotycznie pomagają bakteriom wytwarzającym tlen podczas fotosyntezy. Proliferacja glonów w obecności nieorganicznych składników odżywczych powoduje problem podczas filtracji wraz ze spadkiem czasu pracy. Istnieje sześć głównych grup glonów eukariotycznych, większość z nich ma wici, wyjątkiem są czerwone algi. Różnią się one od innych barwą pigmentu chloroplastowego, składem ściany komórkowej i rezerwową kompozycją żywności.

Pierwotniaki:

Są jednokomórkowe, nie-fotosyntetyczne i ruchliwe. Niektóre są pasożytnicze, a drugie jest fagotroficzne. Większość to aerobik, a kilka to bakterie beztlenowe. Fagotroficzne przyjmują mniejszy organizm i materię organiczną. Grupa suctoria poluje na pierwotniaki. Pomagają w bio-flokulacji.

Pierwotniaki zostały zgrupowane w pięciu głównych grupach: Mastigophora, Sarcodina, Sporozoa, Ciliate i Suctoria. Mastigophora ma wici. Zasadniczo są pasożytami. Niektóre są chorobotwórcze, inne nie.

Sarcodina:

Głównym sposobem poruszania się tej grupy jest ruch typu ameboidalnego za pomocą pseudopods. Niektóre mają wici. Niektóre są fagocytyczne, a niektóre pasożytnicze. Amoeba, która powoduje amebową czerwonkę u ludzi, należy do tej grupy. Sporozoa są pasożytami osmotropowymi. Niektóre są nieruchome, podczas gdy inne poruszają się szybkim ruchem. Nie odgrywają żadnej roli w oczyszczaniu ścieków. Są chorobotwórcze.

Orzęsiony:

Ta grupa jest ważna w oczyszczaniu ścieków. Są fagotropami. Mają krótkie włosy przypominające rzuty (rzęski). Z pomocą rzęsek poruszają się i chwytają żywność. Istnieją dwie podgrupy, jeden bezpłatny typ pływania i drugi typ stalked.

Suctoria:

Posiadają rzęski na wczesnym etapie ich cyklu życia. Później rozwijają macki. Przy pomocy macek żerują na innych pierwotniakach.

Grzyby:

Grzyby są przeważnie wielojądrowe i mają strukturę zwaną grzybnią. Większość z nich jest tlenowa, a niektóre są beztlenowe. Żyją na wszystkich rodzajach materii organicznej, nawet na zdegradowanych bakteryjnie pozostałościach. Główne grupy to: Phycomycetes, Ascomycota's, Basidioniycetes i Fungi- Imperfecti. Drożdże to jednokomórkowe grzyby. Grzyby rozmnażają się przez pączkowanie lub przez rozszczepienie binarne. Mają pewne zastosowania przemysłowe.

Ogólnie grzyby nie są przydatne w oczyszczaniu ścieków. Poza protistami w aerobowych jednostkach oczyszczania ścieków mogą znajdować się małe heterotroficzne, wielobarwne zwierzęta tlenowe zwane wirnikami. Na głowach mają dwa zestawy obracających się rzęsek. Są używane do poruszania się, a także do chwytania jedzenia.

Oddziaływanie drobnoustrojów w oczyszczaniu ścieków:

W przypadku oczyszczania ścieków prawie zawsze wspólnota drobnoustrojów mająca różne gatunki organizmów trafia do jednostki przetwarzania. Organizmy te mogą przedostawać się do jednostki oczyszczającej z otaczającego środowiska, a także wraz z samą ściekami. Bardzo często część biomasy (drobnoustrojów) wytwarzanych podczas oczyszczania ścieków jest poddawana recyklingowi do oczyszczalni. W celu zmniejszenia określonego zanieczyszczenia czasami dodawane są określone organizmy.

Ścieki niezmiennie zawierają różne chemikalia (zanieczyszczenia), a dla ich zmniejszenia obecność różnych rodzajów drobnoustrojów jest pomocna, a czasem niezbędna. Organizmy te współdziałają ze sobą podczas procesu.

Populacja poszczególnych gatunków drobnoustrojów może ulegać zmianom wraz z jakościową i ilościową zmiennością charakterystyki strumienia ścieków wprowadzanego do jednostki obróbki, ale układ może mieć ogólną stabilność, jeżeli w systemie obecne jest szerokie spektrum drobnoustrojów.

Jednakże, jeżeli społeczność ograniczona, to jest, niektóre wybrane gatunki mogą być stosowane w sytuacji cząstek stałych, system może łatwo się zdenerwować z powodu zmian wstrząsów w przepływie / charakterystykach strumienia ścieków poddawanych obróbce. Interakcje między różnymi gatunkami drobnoustrojów obecnych w systemie oczyszczania ścieków mogą być następujących typów: neutralne, dobroczynne i antagonistyczne.

Neutralna interakcja:

Gdy gatunek występujący w ekosystemie nie wykorzystuje tego samego substratu (pokarmu), jego wymagania środowiskowe są różne i nie wykorzystują wzajemnie produktów przemiany metabolicznej i produktów ubocznych, a zatem uważa się, że interakcja jest neutralna. We wspólnocie drobnoustrojów w jakimkolwiek ekosystemie taka interakcja jest bardzo rzadka.

Życzliwa interakcja:

W ekosystemie czasami jeden organizm pomaga innemu organizmowi w jego aktywności metabolicznej lub w zachowywaniu wymagań środowiskowych i nie szkodzą sobie nawzajem. Takie interakcje między organizmami określa się jako interakcje dobroczynne.

Istnieją dwa rodzaje dobroczynnych interakcji, mianowicie: Commensalism and Mutualism. Czasami produkty przemiany materii lub produkty uboczne jednego organizmu są wykorzystywane przez inny organizm. Takie interakcje między dwoma gatunkami określane są jako interakcje komensalistyczne.

Przykłady takich interakcji to:

(1) Glukoza lub czynnik wzrostu wytwarzany przez jeden organizm wykorzystywany przez inne organizmy

(2) Fenol (toksyczny dla niektórych organizmów) spożywany przez jeden organizm w ekosystemie, dzięki czemu inne organizmy obecne w systemie mogą nie zostać uszkodzone.

Kiedy organizmy obecne w ekosystemie pomagają sobie wzajemnie, interakcja określana jest jako mutualizm. Przykładem jest interakcja między glonami i bakteriami w urządzeniu do obróbki tlenowej. Glony podczas fotosyntezy wytwarzają O2, który pomaga tlenowej bakterii w ich aktywności metabolicznej. Bakterie wytwarzające CO 2 podczas oddychania pomagają glonom w fotosyntezie.

Antagonistyczne interakcje:

Czasami jeden typ organizmu konkuruje z innym z tego samego zasobu lub jeden typ zapobiega rozwojowi drugiego lub istnieje związek drapieżnik-ofiara między dwoma typami organizmów. W takich sytuacjach interakcja między gatunkami jest antagonistyczna.

Niektóre przykłady antagonistycznych typów interakcji to:

(1) Fakultatywne i obowiązkowe bakterie tlenowe walczące o rozpuszczony tlen,

(2) Wodorotlenek produkujący O 2 podczas fotosyntezy, a tym samym zapobiegający wzrostowi obligatoryjnego beztlenowca, oraz

(3) Pierwotniaki żerują na bakteriach.

Fizjologia mikrobów:

Mikrobiologiczne komórki zawierają około 80 procent wody. Pozostała część składa się z C, O2, H2, N2, P i S. Metale takie jak Na, K, Ca, Mg, Fe są również obecne w komórkach drobnoustrojów. Składniki C, O 2, H 2 i N 2 komórki są często przybliżone (w przeliczeniu na popiół) wzorem C 5 H 7 O 2 N. Do syntezy (rozmnażania) nowych drobnoustrojów innych niż H 2 i O 2 (które można uzyskać z wody) głównymi wymaganymi pierwiastkami są C i N 2 .

Wymagane są stosunkowo małe ilości P i S i potrzebne są również bardzo małe ilości wyżej wymienionych metali. Mikroby uzyskują różne składniki do ich rozmnażania ze środowiska (ekosystemu). Mikroby potrzebują także energii do ruchu, a także do prowadzenia działań metabolicznych (katabolicznych i anabolicznych).

Źródłem wyżej wymienionych składników potrzebnych do rozmnażania drobnoustrojów w systemie oczyszczania ścieków są:

N 2 Źródło:

Do syntezy białek i kwasów nukleinowych związki zawierające azot należy dodać do jednostki oczyszczania ścieków, jeśli nie są one obecne jako składnik obecnych zanieczyszczeń.

Źródła O 2 :

Autotrofy wykorzystują CO 2 i H 2 O jako źródła O 2 . Heterotrofy wykorzystują związki organiczne zawierające tlen i H20.

C Źródło:

Autotrofy wykorzystują CO2 jako źródło węgla, podczas gdy heterotrofy wykorzystują związki organiczne jako źródło węgla.

S Źródło:

Siarka wymagana do syntezy białek otrzymuje się ze związków zawierających siarkę zwykle obecnych w ściekach.

P Źródło:

Fosfor wymagany do syntezy kwasów nukleinowych i fosfolipidów otrzymuje się z nieorganicznych fosforanów i związków fosforoorganicznych normalnie obecnych w ściekach. Do transferu energii w ruchu, jak również do aktywności metabolicznej wymagane są związki fosforoorganiczne ATP (trifosforan adenozyny), ADP (dwufosforan adenozyny) i AMP (monofosforan adenozyny). Są one syntetyzowane przez drobnoustroje wykorzystujące fosfor (nieorganiczny / organiczny) obecny w ściekach.

Klasyfikacja drobnoustrojów na podstawie ich właściwości metabolicznych i energetycznych została przedstawiona w Tabeli 9.4.

Z tabeli 9.4 wynika, że ​​chemoheterotroficzne są najbardziej użyteczne w oczyszczaniu ścieków zawierających substancje organiczne. Fotoautotrofy mają pewne zastosowanie, ponieważ wzbogacają ścieki rozpuszczonym tlenem wytwarzanym podczas fotosyntezy.

Do klasyfikacji chemoheterotrofii stosuje się następujące kryteria:

1. Proces, w którym spełniają one swoje zapotrzebowanie na energię,

2. Zakres temperatur, w którym są bardziej aktywne.

Chemoheterotrofia, w której stosuje się rozpuszczony O 2 w celu utlenienia związków organicznych w celu wytworzenia energii, nazywa się aerobami. Te, które wytwarzają energię poprzez rozkładanie związków organicznych (procesy fermentacji) w nieobecności rozpuszczonego O2, są nazywane beztlenowcami. Istnieje trzecia grupa, która zachowuje się tlenowo w obecności rozpuszczonego tlenu i beztlenowo pod nieobecność rozpuszczonego tlenu. Ta grupa nazywa się drobnoustrojami fakultatywnymi. Klasyfikacja chemoheterotroficzna w zależności od zakresu temperatur, w którym są bardziej aktywne, podana jest w tabeli 9.5.

Metaboliczne i energetyczne reakcje, które są przeprowadzane przez chemoheterotrofię, są grupowane jako droga kataboliczna, droga amfiboliczna, droga anaplerotyczna i droga anaboliczna. Poprzez te etapy organizmy uzyskują energię i syntetyzują związki, takie jak kwasy nukleinowe, białka, polisacharydy, lipidy itp., A na koniec wytwarzają nowe komórki drobnoustrojów. Konkretne działania prowadzone wzdłuż wyżej wymienionych tras są podsumowane poniżej.

Catabolic Route:

Zasadniczo działania kataboliczne są prowadzone w dwóch etapach. W pierwszym etapie zawieszona substancja organiczna obecna w ściekach ulega solubilizacji, a większe rozpuszczone cząsteczki organiczne są hydrolizowane (spite) na mniejsze cząsteczki. Enzymy zewnątrzkomórkowe biorą udział w tych reakcjach. Względnie mała ilość energii uwolnionej podczas tego etapu nie jest dostępna dla komórek (drobnoustrojów), ponieważ reakcje zachodzą na zewnątrz komórek. .

Podczas drugiego etapu procesów katabolicznych mniejsze cząsteczki organiczne już uległy dyfuzji wewnątrz komórek. Następuje dalsze rozdzielanie rozproszonych cząsteczek, jak również pewne reakcje utleniania. Energia uwolniona podczas tego etapu jest dostępna dla komórek.

Droga amfiboliczna:

Materiałami wyjściowymi do tych reakcji są materiały (cząsteczki) wytworzone podczas drugiego etapu procesu katabolicznego. W wyniku reakcji amfibolicznych powstają pewne związki pośrednie do biosyntezy i zachodzą również pewne reakcje utleniania.

Podczas procesu tlenowego produktami końcowymi reakcji utleniania są CO 2 i H 2 O. Produktami utleniania podczas procesu beztlenowego są CO 2 i niektóre inne cząsteczki organiczne (nie składniki biosyntezy). Są one określane jako produkty fermentacji.

Trasa anaplerotyczna:

Półprodukty wytwarzane podczas procesu amfibolicznego nie wystarczają do zaspokojenia całkowitego zapotrzebowania na procesy biosyntezy. W ten sposób wytwarza się więcej półproduktów.

Trasa anaboliczna:

Podczas tego procesu półprodukty wytwarzane drogą amfibii i drogą anaplerotyczną są następnie polimeryzowane i ostatecznie wytwarzane są różne składniki komórek. Ostatecznie prowadzi do produkcji nowych komórek. Należy tu wspomnieć, że wszystkie aktywności (reakcje chemiczne) zachodzące w komórce są katalizowane przez enzym (złożone białkowe związki).

Kinetyka enzymatyczna:

Wszystkie reakcje chemiczne zachodzące wewnątrz komórek mikroorganizmów (wewnątrzkomórkowych) lub bezpośrednio poza komórkami (zewnątrzkomórkowe) są katalizowane przez enzymy. Enzymy są specyficzne dla reakcji, to znaczy, każdy enzym jest zdolny do przeprowadzenia specyficznej reakcji z wykorzystaniem określonego substratu (reagenta).

Podobnie jak nieorganiczne katalizatory, niektóre enzymy mogą zostać zatrute (zahamowane). Enzymy również ulegają uszkodzeniu w wyższej temperaturze i niekorzystnym pH, co może być spowodowane występującymi w nich zmianami strukturalnymi.

Kinetyki reakcji enzymatycznych zostały zbadane przez kilku naukowców. Opracowali równania szybkości na podstawie ich zaproponowanych modeli. Niektóre z nich omówiono poniżej. Podstawowe równanie nazywa się równaniem Michaelisa-Menten.

Uważa się, że reakcje enzymatyczne bez jakiegokolwiek inhibitora zachodzą w dwóch etapach. W pierwszym etapie cząsteczka substratu (reagenta) (S) łączy się z cząsteczką enzymu (E) w celu utworzenia kompleksu enzym-substrat (ES). Ta reakcja jest uważana za odwracalną. W drugim etapie kompleks (ES) ulega nieodwracalnej reakcji, w wyniku której cząsteczka enzymu zostaje uwolniona i powstaje jeden lub więcej produktów. Cały proces może być reprezentowany jako

Do modelowania reakcji tworzenia kompleksu enzym-substrat zaproponowano dwie hipotezy. Według jednej z hipotez reakcja ta natychmiast osiąga równowagę. Według drugiej, ta reakcja osiąga stan "pseudo-stanu ustalonego" natychmiast, to znaczy szybkość tworzenia kompleksu ES staje się taka sama jak szybkość zaniku kompleksu przez odwrotną reakcję. Końcowe równanie opracowane dla szybkości znikania substratu / szybkości tworzenia produktu jest identyczne niezależnie od tego, która z powyższych hipotez jest akceptowana.

Eq. (9.29) jest znany jako równanie Michaelisa-Menena. Aby ocenić stałe kinetyczne (K m i dla konkretnej reakcji, uzyskuje się eksperymentalnie dane stężenie substratu, [5] względem czasu, t. Uzyskane w ten sposób dane można nanieść na różne sposoby (jak pokazano na rysunkach 9.20A, B)., C i D) do oszacowania Km i V m . Ryciny 9.20A, B, C i D oparte są na zmodyfikowanych równaniach Michaelisa-Mentena.

Reakcje hamowania:

Reakcje enzymatyczne mogą zostać zahamowane (opóźnione) na różne sposoby. Inhibitorami mogą być niektóre substancje chemiczne (I) inne niż substrat, samo podłoże (w wysokim stężeniu) i produkt (w wysokim stężeniu). Reakcje hamujące były różnie określane jako "hamowanie konkurencyjne", "niekonkurencyjne hamowanie", "hamowanie niekonkurencyjne", "hamowanie stanu podrzędnego" i "hamowanie produkcji".

Symboliczne przedstawienie różnych typów reakcji hamowania i ich odpowiednich wyrażeń szybkości są następujące:

Konkurencyjne hamowanie:

gdzie [I] = stężenie inhibitora,

K 1 = stała równowagi dla reakcji dysocjacji EI.

Niekonkurencyjne hamowanie:

Zakaz konkurencji:

Hamowanie substratu:

Hamowanie produktu:

gdzie K p = stała równowagi dla reakcji dysocjacji PES. Należy tu podkreślić, że wyżej wymienione modele i równania szybkości oparte są na założeniu, że zahamowanie występuje z powodu braku dostępności niektórych cząsteczek enzymu do reakcji tworzenia kompleksu enzym-substrat z powodu pewnych reakcji wtórnych.

Proces rozwoju drobnoustrojów:

Mikroby potrzebują węgla, tlenu, wodoru, azotu i niektórych innych pierwiastków do syntezy składników komórkowych, co ostatecznie prowadzi do reprodukcji nowych komórek. Organizmy potrzebują energii do przeprowadzenia reakcji syntezy i do podtrzymania czynności innych niż rozmnażanie.

Zapotrzebowanie na energię podtrzymującą oznacza energię potrzebną do realizacji funkcji komórki, taką jak ruchliwość, osmoregulacja, fagocytoza, strumieniowanie cytoplazmatyczne, itp. Energia podtrzymująca obejmuje również energię potrzebną do syntezy niektórych składników komórki, które są wymagane do wymiany zepsutych składników. Niektóre składniki komórki ulegają rozpadowi, ponieważ ich wolne energie są wyższe w porównaniu z oryginalnymi blokami budulcowymi, z których są syntetyzowane.

Kiedy specjalnie przygotowana mieszanina substancji organicznych (określana jako pożywka) zostaje zaszczepiona (jak to ma miejsce w przypadku operacji wsadowej) z niektórymi gatunkami organizmu, populacja mikrobów w tej mieszaninie przechodzi przez typowy proces wzrostu, jak pokazano na Rys. 9.21 . Substancja organiczna występująca w pożywce, która działa jako źródło węgla dla drobnoustrojów, jest określana jako substrat.

Należy tutaj podkreślić, że całkowita populacja drobnoustrojów obecnych w ekosystemie w dowolnym momencie składa się z dwóch grup, mianowicie "żywych organizmów" i "martwych organizmów". Żywe organizmy to te, które są zdolne do rozmnażania się, podczas gdy "martwe" żyją, ale nie są zdolne do rozmnażania. Wykorzystują energię do wykonywania wszystkich rodzajów działalności, z wyjątkiem reprodukcji.

Rysunek 9.21 pokazuje, że tempo wzrostu populacji drobnoustrojów podczas operacji wsadowej przechodzi przez różne fazy. Są one zwykle określane jako fazy I, II, III i IV.

Faza I jest określana jako "faza opóźnienia". W tej fazie populacja (żywych komórek) rośnie powoli, ponieważ organizmy potrzebują czasu, aby zaaklimatyzować się wraz z otoczeniem.

Faza II jest znana jako "faza logarytmiczna", ponieważ w tym okresie populacja wzrasta wykładniczo wykorzystując substrat dostępny w pożywce.

Faza III znana jest jako "faza stacjonarna". W tym okresie populacja żywotnych komórek pozostaje prawie statyczna z powodu braku wystarczającej ilości substratu. Szybkość produkcji nowych komórek w tym okresie jest praktycznie taka sama jak szybkość konwersji żywych komórek do martwych komórek. Podczas tej fazy dostępne podłoże jest wykorzystywane głównie w celu zaspokojenia zapotrzebowania na energię podtrzymującą ogniwa.

Faza IV jest określana jako "faza zaniku". W tym czasie nie ma substratu. Komórki metabolizują przechowywaną żywność w celu zaspokojenia potrzeb związanych z jej utrzymaniem. Stopniowo niektóre komórki ulegają lizie, to znaczy rozpadają się, a tym samym dostarczają substancji organicznych do pozostałej komórki, aby zaspokoić ich zapotrzebowanie na energię podtrzymującą. Liza powoduje zmniejszenie populacji komórek, co określa się jako rozpad komórek

Podczas faz I do III substrat dostępny w podłożu spełnia zapotrzebowanie organizmów na wzrost i / lub na konserwację. Ten okres jest określany jako okres egzogeniczny. Podczas fazy IV, w nieobecności jakiegokolwiek substratu, komórki metabolizują przechowywaną żywność, a także substancje uwalniane w wyniku lizy niektórych komórek. Ten okres określa się jako okres endogenny.

Wspomniano wcześniej, że chemoheterotrofia odgrywa główną rolę w biologicznej obróbce ścieków. Wykorzystują one substraty (zanieczyszczenia) obecne w ściekach w celu zaspokojenia ich materiału (do biosyntezy) i zapotrzebowania na energię. Postulowano dwie alternatywne hipotezy wyjaśniające, w jaki sposób mikroorganizmy to osiągają.

Zgodnie z jedną hipotezą komórki syntetyzują swoje organelle i rezerwę endogenną (pokarmową) wykorzystującą substrat. Sekwencyjnie część rezerwy endogenicznej ulega degradacji, aby zaspokoić zapotrzebowanie na energię potrzebną do utrzymania komórek.

Zgodnie z drugą hipotezą substrat jest wykorzystywany do spełnienia wymagań syntezy, jak również do jednoczesnego zaspokojenia zapotrzebowania na energię konserwacyjną. Koncepcyjnie i logicznie ta hipoteza jest bardziej realistyczna. Należy tutaj podkreślić, że zgodnie z tą hipotezą na końcu okresu egzogenicznego komórki zaspokoją swoją potrzebę utrzymania energii kosztem endogenicznej rezerwy.

Łatwiej jest sformułować model matematyczny oparty na pierwszej hipotezie, nawet jeśli ta hipoteza nie jest logiczna. Model matematyczny oparty na drugiej hipotezie byłby skomplikowany, ponieważ musi zawierać pojęcia reprezentujące zarówno procesy egzogeniczne, jak i endogenne oraz kryteria dotyczące tego, kiedy endogenny termin procesu zyskałby na znaczeniu.

W ciągłym procesie oczyszczania ścieków dopływ zawierający zanieczyszczenia (o niskiej lub prawie zerowej populacji drobnoustrojów) wchodzi do urządzenia procesowego (bioreaktora), który już zawiera dużą populację drobnoustrojów różnych gatunków. Ścieki opuszczają bioreaktor prawie wyczerpany biodegradowalnymi zanieczyszczeniami. Ścieki zawierają większą liczbę drobnoustrojów niż w strumieniu.

Ten wzrost liczby komórek wynika z biodegradacji masy zanieczyszczeń obecnych w płynie. Część zdegradowanej masy zanieczyszczeń jest wykorzystywana do reprodukcji nowych komórek, podczas gdy druga część idzie w celu zaspokojenia potrzeb energetycznych komórek. Jest bardzo trudne, jeśli nie niemożliwe, określenie ilościowo zużytej masy zanieczyszczeń w celu zaspokojenia zapotrzebowania na energię ogniw. Ale opracowanie ilościowej korelacji tempa wzrostu masy komórek jest bardzo możliwe do osiągnięcia.

Z punktu widzenia oczyszczania ścieków można by zainteresować się opracowaniem wyrażenia dla ogólnej szybkości zubożenia masy zanieczyszczeń w strumieniu wpływającym, tak aby można było to samo zastosować do zaprojektowania odpowiedniego urządzenia procesowego.

Kinetyka wzrostu komórek:

Komórki mnożą się przez dwuskładnikowe rozszczepienie żywotnych komórek. Stąd tempo wzrostu komórek (masy) (przy braku drapieżników, śmierci komórek i rozpadu komórek) podczas operacji okresowej zależałoby od stężenia żywotnych komórek w bioreaktorze w dowolnym momencie. Może być wyrażony jako-

gdzie, r G, X v = wskaźnik produkcji żywych komórek (masa) na jednostkę objętości bioreaktora,

[X V ] = stężenie żywych komórek (masy) w dowolnej chwili i

μ = stała stałej szybkości wzrostu.

Wartość liczbowa | i dla określonej kombinacji mikroorganizm-substrat zależy od stężenia substratu, stężenia mikroskładników pokarmowych, pH, temperatury itp. W bioreaktorze.

Badacze, w oparciu o ich eksperymentalne próby kontrolowane pod względem pH, temperatury i stężenia mikroskładników, uzyskali ogólną korelację dla μ w zależności od stężenia substratu [S], jak pokazano w równaniu. (9.36)

Stwierdzono, że wartości liczbowe μm i Ks zależą od pH, temperatury i stężenia mikroskładników pokarmowych dla dowolnego określonego układu mikrob-substrat.

Równanie (9.36) jest znane jako równanie Monoda. Jest on podobny do wzoru równania Michaelisa-Mentena dla reakcji enzymatycznej [Eq. (9.29)].

Połączenie równań. (9, 35) i (9, 36) dają wyniki równ. (9.37)

Należy tutaj podkreślić, że w zakładzie oczyszczania ścieków byłaby mieszana populacja drobnoustrojów i różnorodnych zanieczyszczeń (chemikaliów). Dla takiej jednostki μ m i K s nie można zestawić, łącząc dane z literatury dla konkretnych układów mikrob-substrat. Dla każdej indywidualnej sytuacji H m i K s muszą być doświadczalnie ocenione.

Podczas biologicznego oczyszczania ścieków obecne mikroorganizmy wykorzystują źródła węgla (substrat, tj. Biodegradowalne związki organiczne) do rozmnażania, a także w celu zaspokojenia potrzeb związanych z utrzymaniem energii. W warunkach tlenowych etapy wytwarzania energii wytwarzałyby CO 2 i H 2 O jako produkty końcowe, natomiast w warunkach beztlenowych produkty reakcji byłyby głównie CO 2 i CH 4 .

Ponieważ substraty są wykorzystywane do wzrostu masy komórek, a także do wytwarzania energii, tempo wzrostu komórek byłoby mniejsze niż wykorzystanie substratu. Relacja między nimi jest zwykle wyrażona jako

gdzie y jest określane jako wydajność, to jest masa żywych komórek wytworzonych na jednostkę masy użytego substratu. Ponieważ strumień ścieków niezmiennie zawiera wiele związków organicznych (zanieczyszczeń), zwykle wyraża się stężenie substratu, [S], albo pod względem BZT, albo ChZT w jednostce mg O 2 / L, a nie pod względem stężeń poszczególne obecne zanieczyszczenia.

Wydajność, y, miałaby wartość maksymalną, gdyby energia potrzebna do konserwacji była zerowa. W takiej sytuacji y jest reprezentowane przez symbol y g . Nawet gdyby energia utrzymania była zerowa, miałaby wartość mniejszą niż jeden, ponieważ proces biosyntezy (wzrostu) wymaga energii. Stwierdzono, że wartość liczbowa y zależy od użytego substratu, jego stężenia, gatunku zastosowanego organizmu i czynników środowiskowych, takich jak temperatura, pH itp.

Eksperymentalne badania wykazały, że wartość liczbowa y wynosi około 0, 5, gdy ścieki są traktowane tlenowo. Jednak w warunkach beztlenowych stwierdzono, że wartość y wynosi około 0, 1

Łącząc równania. (9, 35) i (9, 38) uzyskuje się równ. (9.39),

Należy zauważyć, że podczas procesu biologicznego kilka żywych komórek staje się "martwych", a niektóre ulegają lizie (rozkładowi). Dlatego też szybkość wzrostu żywotnych komórek można wyrazić jako

Wspomniano już wcześniej, że drobnoustroje obecne w dowolnym systemie są dwojakiego rodzaju, mianowicie "żywy" i "martwy". Stężenie całkowitej populacji komórek (masy) w danej chwili byłoby sumą stężenia każdego rodzaju w danym momencie,

gdzie, [X] = stężenie całkowitej masy komórek.

Wyrażenie szybkości zmiany całkowitej masy komórek podczas egzogennego procesu można uzyskać przez połączenie równania. (9, 40), (9, 41) i (9, 42)

Reakcje biochemiczne to w zasadzie reakcje chemiczne katalizowane przez (dodatkowe / wewnątrzkomórkowe) enzymy. Dlatego konkretne stałe szybkości, np. P, b i y są zależne od temperatury. Ich wartości liczbowe rosną wraz ze wzrostem temperatury. Ich zależność od temperatury może być reprezentowana przez relację typu Arrhenius,

Jednak często związek wyraża się empirycznie jako

gdzie k 0 odpowiada pewnej temperaturze bazowej f0 wyrażonej w ° C, a k odpowiada temperaturze roboczej t ° C. Stwierdzono, że wartość liczbowa O mieści się w zakresie od 1, 03 do 1, 1. Ogólnie przyjmuje się, że jest to 1, 08.

Wartości liczbowe eksperymentalnie ocenianych parametrów kinetycznych μm, Ks, Υ i b zależą od kombinacji substrat-organizm, a także od stężenia składników odżywczych, pH i temperatury utrzymywanych podczas konkretnego badania.

Zaobserwowano, że dla łatwo degradowalnego substratu wartość liczbowa μm jest wysoka, podczas gdy dla substratu, który jest trudny do degradacji, wartość μm jest mała. Wartość liczbowa K s jest niska w przypadku łatwo degradowalnego podłoża i wysoka dla substratu, który jest trudny do degradacji. Niektóre typowe wartości parametrów kinetycznych dla procesów aerobowych oczyszczania ścieków w mieszanej hodowli są podane w tabeli 9.6

Zasadniczo zakłada się, że b v = b d .

Stwierdzono, że tempo wzrostu masy komórek zarówno dla procesów tlenowych, jak i procesów beztlenowych jest zgodne z równaniem. (9, 37). Dane eksperymentalne pokazują, że w procesach beztlenowych μ m jest niższe, a K s wyższe w porównaniu do tych wymienionych dla procesów aerobowych w tabeli 9.6.