Sekundær behandling af spildevand (med diagram)

Læs denne artikel for at lære om sekundær behandling af spildevand.

Den sekundære behandling er også kendt som biologisk behandling. Det er i stand til at reducere bionedbrydelige opløste og / eller suspenderede organiske stoffer. Ved sekundær behandling er det også muligt at fjerne opløste nitrogenholdige og fosforforbindelser fra en spildevandsstrøm.

Organiske stoffer, der undergår nedbrydning i nærvær af mikroorganismer (mikrober, som er allestedsnærværende) betegnes som biologisk nedbrydelige stoffer. Mikroorganismer producerer enzymer (komplekse proteinholdige stoffer), der fungerer som katalysatorer til bionedbrydningsprocesser. Disse processer forekommer gennem en række reaktioner, der kaldes biokemiske veje.

Reaktionerne kan finde sted i nærværelse af opløst oxygen. Disse benævnes aerob reaktioner (processer). Nogle reaktioner finder sted i den totale fravær af ilt. Disse betegnes som anaerobe / obligatoriske anaerobe processer. Reaktionerne under aerob tilstand vil være forskellige fra de under anaerob tilstand.

Der er nogle mikrober, som er i stand til at udføre biologiske reaktioner både under aerob og anaerobe forhold. Disse mikrober betegnes som fakultative mikrober, og processerne betegnes som fakultative.

Til biologisk behandling af spildevand indeholdende organiske stoffer (opløst og / eller suspenderet) anvendes en række mikrober, og de opretholdte betingelser kan være enten aerob eller anaerobe. For bedre forståelse af disse processer er det nødvendigt at kende de grundlæggende egenskaber ved de forskellige typer mikrober, som kort diskuteres herunder.

Fundamentals of Microbes:

Før opfindelsen af ​​mikroskop blev levende væsener klassificeret i to grupper, nemlig planter og dyr. Planter er immotile, mens dyrene er bevægelige. Efter opfindelsen af ​​mikroskop mikrober / mikroorganismer blev synlige. De har de grundlæggende egenskaber hos levende væsener, det vil sige, de er i stand til at reproducere sig selv, men strukturelt er de forskellige fra makroplanter og dyr. De mikroskopiske levende væsener betegnes som protister.

Protisterne har en relativt simpel struktur. De kan være enhjulede eller multicellulære. Selv i de multicellede celler er cellerne ikke internt forskellige, og de er ikke organiseret som væv. Makroplanter og dyr har væv, som udfører forskellige funktioner. Protist klassifikationer er angivet i tabel 9.3.

Figur 9.19A og 9.19B viser typiske strukturer af prokaryote og eukaryote celler.

Foruden protisterne er der nogle submikroskopiske levedygtige partikler kendt som vira. Disse er kun synlige under elektronmikroskop. Deres størrelse varierer mellem 0, 02-0, 08 pm. Dybest set er de enten et DNA eller et RNA omgivet af en shell af protein. De er ude af stand til at reproducere alene. De inficerer værtsceller og inducerer dem til at replikere sig selv og derved producere flere vira.

prokaryoter:

Prokaryoter er enhjulede og er normalt mindre end 5 μm i diameter. De har meget enkel struktur og er afgrænset af en membran. De fleste af dem har stive cellevægge. Inde i en celle er der en kerne og cytoplasma. Kernen adskilles ikke fra cytoplasma med en membran. De enzymer, der deltager i respiration og fotosyntiske reaktioner, er placeret i cellemembranen eller i dens foldning. Prokaryoter er ikke phagotropiske, dvs. de kan ikke indtage mad.

De udskiller ekstracellulære hydrolytiske enzymer, som hydrolyserer suspenderede organiske partikler og opløser store organiske molekyler i mindre. De hydrolyserer mindre molekyler og trænger derefter ind i cellerne ved hjælp af forskellige mekanismer. Prokaryoter flytter normalt med flagella, som er spiralformet fibril, der udstikker gennem cellemembranen. Der er grundlæggende to grupper af prokaryoter, nemlig bakterielle og blågrønne alger.

Bakterie:

Bakterier er enhedsdygtige. Deres størrelse varierer mellem 0, 2 og 2 μm. De er klassificeret i tre grupper: myxobakterier, spirocheter og eubakterier. Afhængigt af deres form betegnes de som kokhunde (sfærisk), baciller (stang som) og spirilla (spiraler).

Myxobakterier er stangformede og har tynde sarte vægge. De bevæger sig ved glidende handling. De får deres mad ved at opdele (lirke) andre organismer, såsom bakterier, svampe, alger osv. Spirocheter er helicoidale i form med delikate fleksible vægge. Der er relativt lange sammenlignet med deres bredde. De lever i mudder og vand og er anaerobe. Nogle er parasitære.

eubakterier:

Bakterier, bortset fra myxobakterierne og spirocheterne, grupperes som eubakterier. Deres former kan være stang som sfærisk eller spiral. Nogle af dem har flagella og er motile, mens de andre er immotile. De har været underklassificeret efter deres metaboliske og energiske egenskaber. Generelt er de encellulære, men nogle former aggregerer, mens nogle andre er filamentøse.

Blågrøn Alger:

De kan være encellulære eller multicellulære. De formere sig ved binær fission. De multicellulære er filamenter af identiske celler, der holder sammen af ​​en fælles ydre væg. En kort del af et filament indeholdende nogle få celler frigives, og det frigjorte filament vokser ved binær deling af cellerne i et plan.

De unicellulære filamenter er immotile, mens de multicellulære filamenter kan glide. De blågrønne alger er fotosyntetiske. Deres farve er generelt blågrøn. Nogle arter har rød, lilla, brun og sort farve. Nogle arter kan fastsætte atmosfærisk nitrogen.

eukaryoter:

Eukaryoter har mere kompleks struktur end prokaryoter. Deres diameter er mere end 20 pm. Hver celle har flere organeller, såsom kerne, mitokondrier, endoplasmisk retikulum, Golgi-apparat, vakuol, lysomer, ribosomer, chloroplaster osv. Hver af disse har en specifik funktion. Hver cell har en ydre cellulær membran. Nogle har cellevægge. De indre organeller er afgrænset af membraner.

De eukaryote celler uden cellevægge udviser amoeboid bevægelse på grund af cytoplasmatisk bevægelse, kaldet cytoplasmatisk streaming. Dem med cellevægge bevæger sig ved hjælp af flagella. Eukaryoter er blevet klassificeret i tre grupper, nemlig alger, protozoer og svampe.

Eukaryotiske Alger :

Disse kan være enhedscellulære eller multicellulære. I multicellulære er cellerne ikke forskellige fra hinanden. De er fotosyntetiske, nogle har cellevægge og dermed er de osmotrofe. Dem uden cellevægge indtager mindre organismer fagotrofisk. De kan vokse i uorganiske medier. Disse er ikke vigtige i spildevandsbehandling.

Imidlertid hjælper de symbiotisk bakterier, da de producerer ilt under fotosyntese. Spredning af alger i nærvær af uorganiske næringsstoffer forårsager problem under filtrering, da løbetiden falder. Der er seks hovedgrupper af eukaryotiske alger, de fleste har flagella, undtagelsen er de røde alger. De adskiller sig fra de andre i deres chloroplast pigment farve, cellevægs sammensætning og reserve mad sammensætning.

protozoer:

Disse er encellulære, ikke-fotosyntetiske og motile. Nogle er parasitiske, og den anden er fagotrof. Majoriteterne er aerobiske og nogle få er anaerobe. De fagotrofiske indtager mindre organisme og organisk materiale. Gruppen suctoria præger på protozoer. De hjælper med bio-flokkulering.

Protozoerne er blevet grupperet i fem hovedgrupper: Mastigophora, Sarcodina, Sporozoa, Ciliate og Suctoria. Mastigophora har flagella. Generelt er de parasitiske. Nogle er patogene, nogle er ikke.

Sarcodina:

Hovedgruppens bevægelsesmåde er amoeboid type bevægelse ved hjælp af pseudopoder. Nogle har flagella. Nogle er fagocitiske, mens nogle er parasitære. Amoeba, der forårsager amoebisk dysenteri hos mennesker, tilhører denne gruppe. Sporozoa er osmotrope parasitter. Nogle er immotile, mens de andre bevæger sig ved glidende handling. De har ingen rolle i spildevandsbehandling. De er patogene.

cilierede:

Denne gruppe er vigtig i spildevandsbehandling. De er fagotropiske. De har kort hår som fremspring (Cilia). Ved hjælp af Cilia flytter de og fanger mad. Der er to undergrupper, en fri svømningstype og den anden stalkede type.

Suctoria:

De besidder Cilia på det tidlige stadium af deres livscyklus. Senere udvikler de tentakler. Ved hjælp af tentaklerne byder de på andre protozoer.

Svampe:

Svampe er for det meste multinucleat og har en struktur kendt som mycelium. Størstedelen af ​​dem er aerobic, mens nogle er anaerobe. De lever på alle former for organisk materiale, selv på bakterielt nedbrydelige organiske rester. Hovedgrupperne er: Phycomycetes, Ascomycotas, Basidioniycetes og Fungi Imperfecti. Gær er encellulære svampe. Svampe reproducerer enten ved spirende eller ved binær fission. De har nogle industrielle applikationer.

Generelt svampe er ikke anvendelige i spildevandsbehandling. Bortset fra protisterne kan nogle små heterotrofiske multicellulære aerobiske dyr kendt som roterende midler være til stede i aerob spildevandsbehandlingsenheder. De har to sæt roterende Cilia på deres hoveder. De bruges til bevægelighed såvel som til indfangning af mad.

Mikrobiel interaktion i spildevandsbehandling:

For spildevandsbehandling finder man næsten altid et mikrobielt samfund med forskellige arter af organismer sig ind i en behandlingsenhed. Disse organismer kan komme ind i en behandlingsenhed fra det omgivende miljø såvel som sammen med selve spildevandet. Meget ofte genanvendes en del af biomassen (mikrober), der produceres under spildevandsbehandling, til behandlingsenheden. Til reduktion af et bestemt forurenende stof sommetider tilsættes nogle specifikke organismer.

Spildevand vil altid indeholde forskellige kemikalier (forurenende stoffer) og til deres reduktion er tilstedeværelsen af ​​forskellige typer mikrober nyttigt og til tider væsentlig. Disse organismer interagerer med hinanden under processen.

Befolkningen af ​​individuelle mikroberarter kan undergå ændring med den kvalitative og kvantitative variation af karakteristika for en spildevandsstrøm ind i en behandlingsenhed, men systemet kan have en samlet stabilitet, hvis et bredt spektrum af mikrober var til stede i systemet.

Men hvis det er begrænset samfund, det vil sige nogle udvalgte arter anvendes i en partikelformet situation, kan systemet blive forstyrret let på grund af stødændringer i strømmen / karakteristika for spildevandsstrømmen, som skal behandles. Samspillet mellem de forskellige mikroberarter, der findes i et spildevandsbehandlingssystem, kan være af følgende typer: neutrale, velvillige og antagonistiske.

Neutral Interaktion:

Når de arter, der er til stede i et økosystem, ikke bruger det samme substrat (mad), er deres miljøkrav anderledes, og de udnytter ikke de metaboliske produkter og biprodukter fra hinanden, så er interaktion siges at være neutral. I et samfund af mikroorganismer i ethvert økosystem er en sådan interaktion meget sjælden.

Velvillig interaktion:

I et økosystem hjælper en organisme nogle gange med en anden organisme i sin metaboliske aktivitet eller i at opretholde miljøkravet, og de skader ikke hinanden. En sådan interaktion mellem organismerne betegnes som velvilligt interaktion.

Der er to typer velvillige interaktioner, nemlig Commensalism og Mutualism. Sommetider anvendes metaboliske produkter eller biprodukter fra en organisme af en anden organisme. Sådan interaktion mellem to arter betegnes som commensalism interaktion.

Eksempler på sådanne interaktioner er:

(1) Glucose eller en vækstfaktor produceret af en organisme, der udnyttes af andre organismer

(2) Phenol (giftigt for nogle organismer), der forbruges af en organisme i et økosystem, således at de andre organismer, der er til stede i systemet, ikke må blive skadet.

Når de organismer, der er til stede i et økosystem, hjælper hinanden, er interaktionen betegnet som mutualisme. Et eksempel er interaktionen mellem alger og bakterier i en aerob behandlingsenhed. Alger under fotosyntese producerer O 2, som hjælper aerobic bakterier med deres metaboliske aktivitet. Bakterier, der producerer CO 2 under respiration, hjælper alger med fotosyntese.

Antagonistisk Interaktion:

Nogle gange konkurrerer en type organisme med en anden af ​​samme ressource, eller en type forhindrer væksten af ​​en anden, eller der er et rovdyr-forhold mellem to typer af organismer. I sådanne situationer siges interaktionen mellem arten som antagonistisk.

Nogle eksempler på antagonistisk type interaktioner er:

(1) Fakultative og obligatoriske aerobe bakterier, der kæmper for opløst oxygen,

(2) Alger, der producerer O2 under fotosyntese og derved forhindrer vækst af obligatorisk anaerobe, og

(3) Protozoer præger bakterier.

Mikrofysiologi:

Mikrobielle celler indeholder omkring 80 procent vand. Den resterende del består af C, O2, H2, N2, P og S. Metaller som Na, K, Ca, Mg, Fe er også til stede i mikrobielle celler. C, O2, H2 og N2 bestanddelene i en celle tilnærmes ofte (på askefri basis) med formlen C5H7O2 N. Til syntese (reproduktion) af nye mikrober undtagen H2 og O 2 (som kan opnås fra vand) er de væsentlige elementer, der kræves, C og N2.

En relativt lille mængde P og S er påkrævet, og meget små mængder af de ovenfor nævnte metaller er også nødvendige. Mikroberne får de forskellige bestanddele til deres reproduktion fra deres miljø (økosystem). Mikroberne har også brug for energi til deres bevægelse såvel som at udføre deres metaboliske (kataboliske og anabolske) aktiviteter.

Kilderne til ovennævnte bestanddele, der kræves til reproduktion af mikrober i et spildevandsbehandlingssystem, er:

N 2 Kilde:

Til syntese af proteiner og nukleinsyrer skal nitrogenholdige forbindelser tilsættes til en spildevandsbehandlingsenhed, hvis de ikke er til stede som bestanddel af de tilstødende forurenende stoffer.

O 2 Kilder:

Autotrofer bruger CO 2 og H 2 O som kilder til O 2 . Heterotrofer bruger iltbærende organiske forbindelser og H20.

C Kilde:

Autotrofer bruger CO 2 som carbonkilde, mens heterotrofer bruger organiske forbindelser som kilden til carbon.

S Kilde:

Svovl, der kræves til proteinsyntese, opnås fra svovlbærende forbindelser, som normalt er til stede i spildevand.

P Kilde:

Fosfor, der kræves til syntese af nukleinsyrer og phospholipider, opnås fra uorganiske fosfater og organofosforforbindelser, som normalt er til stede i spildevand. For energioverførsel til bevægelse såvel som for metabolisk aktivitet er organofosforforbindelser ATP (adenosintrifosfat), ADP (adenosindi-phosphat) og AMP (adenosinmonophosphat) påkrævet. Disse syntetiseres af mikroberne ved anvendelse af fosfor (uorganisk / organisk), som er til stede i spildevand.

Klassificeringen af ​​mikrober baseret på deres metaboliske og energiske egenskaber er som angivet i tabel 9.4.

Det fremgår af tabel 9.4, at kemoheterotrofiske er mest anvendelige til behandling af spildevand indeholdende organiske stoffer. Fototautotroferne er til nogen nytte, da de beriger spildevand med opløst ilt, som produceres under fotosyntese.

Følgende kriterier anvendes til klassificering af kemoheterotrof:

1. Den proces, hvormed de opfylder deres energibehov,

2. Temperaturområdet, hvor de er mere aktive.

Den kemoheterotrophic, der bruger opløst O2 til at oxidere organiske forbindelser til at producere energi kaldes aerobes. Dem, der producerer energi ved nedbrydning af organiske forbindelser (fermenteringsprocesser) i fravær af opløst O2 kaldes anaerober. Der er en tredje gruppe, som opfører sig aerobt i nærværelse af opløst oxygen og anaerobt i fravær af opløst oxygen. Denne gruppe hedder fakultative mikrober. Klassificering af kemoheterotrophic i henhold til det temperaturområde, hvor de er mere aktive, er angivet i tabel 9.5.

De metaboliske og energiske reaktioner, som udføres af kemoheterotrofiske grupper, grupperes som katabolisk vej, amfibolisk vej, anaplerotisk vej og anabolsk rute. Gennem disse trin får organismerne deres energi og syntetiserer forbindelser som nukleinsyrer, proteiner, polysaccharider, lipider osv. Og til sidst producerer nye mikrobielle celler. De specifikke aktiviteter udført langs de ovennævnte ruter er opsummeret nedenfor.

Katabolisk rute:

Generelt udføres kataboliske aktiviteter i to faser. I det første trin opløses det suspenderede organiske stof, der er til stede i spildevand, og de større opløste organiske molekyler hydrolyseres (spidses) i mindre molekyler. Ekstracellulære enzymer deltager i disse reaktioner. Den relativt lille mængde energi frigivet under dette trin er ikke tilgængelig for cellerne (mikrober), da reaktionerne opstår uden for cellerne. .

Under den anden fase af de kataboliske processer producerede de mindre organiske molekyler allerede diffuse inde i cellerne. Der foregår yderligere opdeling af de diffunderede molekyler såvel som nogle oxidationsreaktioner. Energien frigivet under dette trin er tilgængelig for cellerne.

Amphibolisk rute:

Udgangsmaterialerne til disse reaktioner er de materialer (molekyler), der produceres under den anden fase af katabole processen. Som et resultat af de amfiboliske reaktioner produceres nogle mellemforbindelser til biosyntese, og nogle oxidationsreaktioner finder også sted.

Under en aerob proces er de endelige oxidationsreaktioner CO 2 og H 2 O. Produkterne fra oxidation under en anaerob proces er CO 2 og nogle andre organiske molekyler (ikke komponenter til biosyntese). Disse benævnes fermenteringsprodukter.

Anaplerotisk rute:

Mellemprodukterne produceret under amfibolisk proces er ikke nok til at imødekomme den samlede efterspørgsel efter biosynteseprocesserne. Derfor produceres nogle flere mellemprodukter ved denne rute.

Anabolske rute:

Under denne proces polymeriseres mellemprodukterne produceret af den amfiboliske vej og den anaplerotiske rute efterfølgende og til sidst produceres de forskellige bestanddele af cellerne. I sidste ende fører det til produktion af nye celler. Det skal her nævnes, at alle de aktiviteter (kemiske reaktioner) der forekommer inde i en celle er enzym (komplekse proteinholdige forbindelser) katalyseret.

Enzymatisk Kinetik:

Alle kemiske reaktioner, der finder sted inde i mikroorganismerne (intracellulære) eller umiddelbart uden for cellerne (ekstracellulære) enzymkatalyseres. Enzymer er reaktionsspecifikke, det vil sige, at hvert enzym er i stand til at udføre en specifik reaktion ved anvendelse af et specifikt substrat (reaktant).

Som uorganiske katalysatorer kan enzymer blive forgiftet (hæmmet) af nogle kemikalier. Enzymer påvirkes også ved højere temperatur og ugunstige pH-forhold, hvilket kan skyldes nogle strukturelle ændringer der forekommer i dem.

Kinetikken af ​​enzymatiske reaktioner er blevet studeret af flere forskere. De har udviklet rateækninger baseret på deres foreslåede modeller. Nogle af disse diskuteres nedenfor. Den grundlæggende ligning henvises til som Michaelis-Menten ligning.

Enzymatiske reaktioner i fravær af en inhibitor antages at forekomme gennem to trin. I det første trin kombinerer et substrat (reaktant) molekyle (S) med et enzymmolekyle (E) til dannelse af et enzym-substratkompleks (ES). Denne reaktion anses for at være en reversibel. I det andet trin gennemgår komplekset (ES) en irreversibel reaktion, hvorved enzymmolekylet frigøres og et eller flere produkter dannes. Den overordnede proces kan være repræsenteret som

Til modellering af enzym-substratkompleksdannelsesreaktionen er to hypotese blevet foreslået. Ifølge en hypotese opnår denne reaktion øjeblikkeligt ligevægt. Ifølge den anden når denne reaktion øjeblikkelig en 'pseudo-stabil tilstand' tilstand, det vil sige, at dannelseshastigheden af ​​ES-komplekset bliver den samme som kompleksets forsvinden ved omvendt reaktion. Den endelige ligning udviklet for hastigheden af ​​forsvinden af ​​substrat / produktdannelsens hastighed er identisk uanset hvilken ovennævnte hypotese accepteres.

Eq. (9.29) er kendt som Michaelis-Menen ligningen. For at evaluere de kinetiske konstanter (Km og for en specifik reaktion opnås substratkoncentrationen [5] vs. tid, t-data eksperimentelt. De således opnåede data kan udtrækkes på forskellige måder (som vist i figurerne 9.20A, B, C & D) til estimering af Km og Vm. Figurerne 9.20A, B, C & D er baseret på de modificerede former af Michaelis-Menten ligning.

Inhiberingsreaktioner:

Enzymatiske reaktioner kan blive hæmmet (retarderet) på forskellige måder. Inhibitorerne kan være nogle kemikalier (I) ud over substratet, selve substratet (ved høj koncentration) og produktet (ved høj koncentration). Inhiberingsreaktionerne er blevet betegnet som "Konkurrerende Inhibering", "Ukompetitiv Inhibering", "Ikke-konkurrencedygtig Inhibering", "Sub State Inhibition" og "Product Inhibition".

Symbolisk repræsentation af de forskellige typer inhiberingsreaktioner og deres respektive hastighedsudtryk er som følger:

Konkurrencedygtig hæmning:

hvor [I] = inhibitor koncentration,

K 1 = ligevægtskonstant for EI dissociation reaktionen.

Ikke-konkurrencedygtig hæmning:

Ikke-konkurrencedygtig hæmning:

Substratinhibering:

Produkthæmning:

hvor K p = ligevægt konstant for PES dissociation reaktion. Det skal her påpeges, at ovennævnte modeller og hastighedsligninger er baseret på den forudsætning, at inhibering opstår på grund af manglende tilgængelighed af nogle enzymmolekyler til enzym-substratkompleksdannelsesreaktionen på grund af nogle sekundære reaktioner.

Mikrobiel vækstproces:

Mikrober har brug for kulstof, ilt, hydrogen, nitrogen og nogle andre elementer til syntese af cellekomponenter, som til sidst fører til reproduktion af nye celler. Organismerne har brug for energi til at udføre syntesereaktionerne og til opretholdelse af andre aktiviteter end for reproduktion.

Vedligeholdets energibehov betyder energi, der kræves til udførelse af cellefunktioner, såsom bevægelighed, osmoregulering, fagocytose, cytoplasmatisk streaming osv. Vedligeholdelsesenergi indeholder også energi, som er nødvendig til syntetisering af nogle cellekomponenter, som er nødvendige for udskiftning af de nedbrudte komponenter. Nogle cellekomponenter brydes ned, da deres frie energier er højere sammenlignet med de af de oprindelige byggesten, hvorfra de er syntetiseret.

Når en specielt forberedt blanding af organiske stoffer (omtalt som et medium) inokuleres (som sker i en batchoperation) med nogle arter af organismer, passerer mikrobepopulationen i denne blanding gennem en typisk vækstproces som vist i figur 9.21 . Det organiske stof, som er til stede i et medium, som virker som carbonkilde for mikroberne, betegnes som substratet.

Det skal her påpeges, at den samlede population af mikrober, der er til stede i et økosystem på et hvilket som helst tidspunkt, består af to grupper, nemlig "levedygtige organismer" og "døde organismer". Levende organismer er dem, der er i stand til at reproducere, mens de 'døde' lever, men ikke er i stand til reproduktion. De udnytter energi til at udføre alle former for aktiviteter undtagen reproduktion.

Figur 9.21 viser, at mængden af ​​mikrobebefolkningsvækst under en batchoperation passerer gennem forskellige faser. Disse benævnes normalt Faser I, II, III og IV.

Fase I betegnes som "forsinkelsesfasen". I denne fase øges befolkningen (af levedygtige celler) langsomt, idet organismerne tager tid at blive akklimatiseret med sit miljø.

Fase II er kendt som 'logfasen' som i denne periode øges befolkningen eksponentielt ved at anvende substratet, der er tilgængeligt i mediet.

Fase III er kendt som den "stationære fase". I denne periode forbliver populationen af ​​de levedygtige celler næsten statisk på grund af manglende tilgængelighed af tilstrækkeligt substrat. Produktionshastigheden for nye celler i denne periode er stort set det samme som omdannelsesgraden af ​​levedygtige celler til døde celler. I løbet af denne fase anvendes det ledige substrat hovedsageligt til at opfylde cellernes vedligeholdelsesenergibehov.

Fase IV betegnes som "henfaldsfase". Der er ikke noget underlag i denne periode. Cellerne metaboliserer deres lagrede fødevarer for at imødekomme deres vedligeholdelsesbehov. Progressivt gennemgår nogle af cellerne lysis, det vil sige desintegreres og derved tilvejebringe organiske stoffer til den resterende celle for at opfylde deres vedligeholdelsesenergibehov. Lysis resulterer i et fald i cellepopulationen, der omtales som celle 'henfald'

Under fase I til III opfylder substratet, der er tilgængeligt i et medium, vækstorganismenes vækst- eller vedligeholdelsesenergibehov. Denne periode betegnes som den eksogene periode. Under fase IV metaboliserer cellerne deres lagrede fødevarer såvel som de stoffer, der frigives som følge af lysis af nogle celler, i fravær af noget substrat. Denne periode betegnes som den endogene periode.

Det er tidligere blevet nævnt, at kemoheterotrofisk spiller den største rolle i biologisk behandling af spildevand. De anvender substratet (forurenende stoffer) til stede i spildevand for at opfylde deres materiale (til biosyntese) og energibehov. To alternative hypoteser er blevet postuleret for at forklare, hvordan mikrober opnår dette.

Ifølge en hypotese syntetiserer cellerne deres organeller og endogene (mad) reserve under anvendelse af substratet. Sekventielt nedbrydes en del af den endogene reserve for at opfylde cellernes vedligeholdelsesenergibehov.

Ifølge den anden hypotese anvendes substrat til at opfylde syntesebehovet samt at opfylde vedligeholdelsesenergibehovet samtidig. Konceptuelt og logisk er denne hypotese mere realistisk. Det skal her påpeges, at ifølge denne hypotese i slutningen af ​​den eksogene periode ville cellerne opfylde deres vedligeholdelsesenergibehov på bekostning af den endogene reserve.

Det er lettere at formulere en matematisk model baseret på den første hypotese, selv om denne hypotese ikke er en logisk. En matematisk model baseret på den anden hypotese ville være kompliceret, da den skal indeholde udtryk for at repræsentere både de eksogene og de endogene processer og kriterierne for, hvornår den endogene procesperiode ville få betydning.

I en kontinuerlig spildevandsbehandlingsproces indgår en tilstrømning, der indeholder forurenende stoffer (med en lav eller næsten nul mikrobefolkning) et stykke procesudstyr (en bioreaktor), som allerede indeholder en stor population af mikrober af forskellige arter. Et spildevand forlader bioreaktoren, der næsten er udtømt af de biologisk nedbrydelige forurenende stoffer. Udledningen vil indeholde et større antal mikrober end det i indflydelsen.

Denne stigning i celletælling skyldes bionedbrydning af den forurenende masse, der er til stede i influenten. En del af den forurenende masse, der nedbrydes, anvendes til at reproducere nye celler, mens den anden del går for at imødekomme energibehovet for cellerne. Det er meget vanskeligt, om ikke umuligt at kvantificere, hvor meget af den forringede forurenende masse der anvendes til at imødekomme cellernes energibehov. Men udviklingen af ​​en kvantitativ korrelation af cellevækstraten er forureningshastigheden for forurenende stoffer meget mulig.

Fra spildevandsbehandlingssynspunkt ville man være interesseret i at udvikle et udtryk for den samlede udtømningshastighed af forurenende masse i en influentiestrøm, således at det samme kan anvendes til udformning af et egnet procesudstyr.

Cell Growth Kinetics:

Celler multipliceres ved binær fission af levedygtige celler. Således vil hastigheden af ​​celle (masse) vækst (i fravær af rovdyr, celledød og celledbrydning) under en batchoperation afhænge af koncentrationen af ​​de levedygtige celler i en bioreaktor på et hvilket som helst tidspunkt. Det kan udtrykkes som-

hvor, r G, X v = produktionshastighed for levedygtige celler (masse) pr. enhedsvolumen af ​​en bioreaktor,

[X V ] = koncentration af levedygtige celler (masse) på et hvilket som helst tidspunkt, og

μ = specifik væksthastighedskonstant.

Den numeriske værdi af | i for en specifik mikrobe-substratkombination afhænger af substratkoncentrationen, mikronæringsstofkoncentrationen, pH, temperaturen etc. i en bioreaktor.

Undersøgere baseret på deres eksperimentelle forsøg ved kontrolleret pH, temperatur og mikronærings koncentration har opnået en generel korrelation for μ som en funktion af substratkoncentration [S] som vist i Eq. (9.36)

De numeriske værdier af μm og Ks har vist sig at afhænge af pH, temperatur og mikronæringsstofkoncentration for ethvert specifikt mikrosubstratsystem.

Ligning (9.36) er kendt som Monod ligning. Det svarer til formlen til Michaelis-Menten-ligningen for enzymatisk reaktion [Eq. (9.29)].

Kombination af Eqs. (9.35) og (9.36) resulterer i Eq. (9.37)

Det skal her påpeges, at der i en spildevandsbehandlingsenhed ville være en blandet population af mikrober og en række forurenende stoffer (kemikalier). For en sådan enhed kan μm og K s ikke kompileres ved at kombinere data fra litteraturen til specifikke mikrobe-substratsystemer. For hver enkelt situation skal H m og K s eksperimentelt evalueres.

Under biologisk behandling af spildevand udnytter de tilstedeværende mikrober kulstofkilderne (substrat, dvs. biologisk nedbrydelige organiske forbindelser) til reproduktion samt til at opfylde vedligeholdelsesenergibehov. Under aerob tilstand vil energiproduktionstrinnene frembringe CO 2 og H 2 O som slutprodukterne, mens reaktionsprodukterne under anaerobe betingelser hovedsageligt vil være CO 2 og CH 4 .

Da substrater anvendes til cellemassevækst såvel som at producere energi, vil massetallet af cellevækst være mindre end for substratudnyttelsen. Forholdet mellem de to udtrykkes normalt som

hvor y betegnes som udbyttet, det vil sige massen af ​​levedygtige celler produceret pr. massemasse af substrat, der anvendes. Da en spildevandsstrøm altid indeholder en række organiske forbindelser (forurenende stoffer), er det sædvanligt at udtrykke substratkoncentrationen [S], enten hvad angår BOD eller COD i mg O 2 / L-enhed og ikke i forhold til koncentrationerne af de enkelte forurenende stoffer er til stede.

Udbyttet y ville have en maksimal værdi, hvis vedligeholdelsesenergien skal være nul. Under en sådan situation er y repræsenteret ved symbolet y g . Selv om vedligeholdelsesenergien var nul y g ville have en værdi mindre end en, da biosynteseprocessen kræver energi. Den numeriske værdi af y har vist sig at afhænge af det anvendte substrat, dets koncentration, de anvendte organismer og de miljømæssige faktorer som temperatur, pH osv.

Eksperimentelle undersøgelser har afsløret, at den numeriske værdi af y er ca. 0, 5, når spildevand behandles aerobt. Men under anaerobe behandlingsforhold er værdien af ​​y blevet fundet at ligge på omkring 0, 1

Ved at kombinere Eqs. (9.35) og (9.38) opnår man Eq. (9, 39),

Det skal bemærkes, at i løbet af en biologisk proces bliver flere levedygtige celler "døde" og nogle gennemgår lysis (henfald). Således kan nettovæksten for vækst af levedygtige celler udtrykkes som-

Det er tidligere blevet nævnt, at mikrober til stede i et hvilket som helst system er af to typer, nemlig 'levedygtige' og 'døde'. Koncentrationen af ​​den samlede cellepopulation (masse) på et hvilket som helst givet tidspunkt ville være summen af ​​koncentrationen af ​​hver type på det pågældende tidspunkt,

hvor [X] = koncentration af total cellemasse.

Et udtryk for ændringshastigheden af ​​den samlede celle masse under en eksogen proces kan opnås ved at kombinere Eqs. (9, 40), (9, 41) og (9, 42)

Biokemiske reaktioner er grundlæggende kemiske reaktioner katalyseret af (ekstra / intracellulære) enzymer. Derfor er de specifikke hastighedskonstanter, fx p, b og y, temperaturafhængige. Deres numeriske værdier stiger med stigning i temperaturen. Deres temperaturafhængighed kan være repræsenteret af Arrhenius type forholdet,

Men ofte udtrykkes relationen empirisk som

hvor k 0 svarer til en basetemperatur f 0 udtrykt i ° C og k svarer til driftstemperaturen t ° C. Den numeriske værdi af O har vist sig at ligge mellem 1, 03 og 1, 1. Generelt er det taget som 1, 08.

De numeriske værdier af de eksperimentelt evaluerede kinetiske parametre, μm, Ks, Υ og b afhænger af substratorganismekombinationen såvel som næringsstofkoncentration, pH og temperatur vedligeholdt under en bestemt undersøgelse.

Det er blevet observeret, at for et let nedbrydeligt substrat er den numeriske værdi af μm høj, mens det for et substrat, som er vanskeligt at nedbryde, er værdien af ​​μm lav. Den numeriske værdi af Ks er lav i tilfælde af et let nedbrydeligt substrat og højt for et substrat, der er vanskeligt at nedbryde. Nogle typiske værdier af de kinetiske parametre for blandet kultur-aerobe spildevandsbehandlingsprocesser er anført i tabel 9.6

Generelt antages det, at b v = b d .

Det har vist sig, at den levedygtige cellevæksthastighed for både aerobe processer og anaerobe processer følger Eq. (9, 37). Eksperimentelle data viser, at for anaerobe processer μm er lavere og K s er højere sammenlignet med dem, der er anført for aerobe processer i tabel 9.6.