Sekundær behandling av avløpsvann (med diagram)
Les denne artikkelen for å lære om sekundær behandling av avløpsvann.
Den sekundære behandlingen er også kjent som biologisk behandling. Det er i stand til å redusere biologisk nedbrytbare oppløste og / eller suspenderte organiske stoffer. Ved sekundær behandling er det også mulig å fjerne oppløste nitrogen- og fosforforbindelser fra en avløpsvannstrøm.
Organiske stoffer som gjennomgår nedbrytning i nærvær av mikroorganismer (mikrober, som er allestedsnærværende) kalles bionedbrytbare stoffer. Mikroorganismer produserer enzymer (komplekse proteinholdige stoffer) som fungerer som katalysatorer for biologiske nedbrytningsprosesser. Disse prosessene skjer gjennom en rekke reaksjoner, som refereres til som biokjemiske veier.
Reaksjonene kan finne sted i nærvær av oppløst oksygen. Disse kalles aerobreaksjoner (prosesser). Noen reaksjoner finner sted i totalt fravær av oksygen. De kalles anaerob / forpliktig anaerob prosesser. Reaksjonene som oppstår under aerob tilstand vil være forskjellige fra de under anaerob tilstand.
Det er noen mikrober, som er i stand til å utføre biologiske reaksjoner både under aerob og anaerobe forhold. Disse mikrober kalles fakultative mikrober og prosessene kalles som fakultative.
For biologisk behandling av avløpsvann som inneholder organiske stoffer (oppløst og / eller suspendert), brukes en rekke mikrober, og betingelsene som opprettholdes kan være enten aerob eller anaerob. For bedre forståelse av disse prosessene er det nødvendig å bli kjent med de grunnleggende egenskapene til de ulike mikroberstykkene, som kort diskuteres nedenfor.
Grunnlaget for mikrober:
Før oppfinnelsen av mikroskop ble levende vesener klassifisert i to grupper, nemlig planter og dyr. Planter er immotile, mens dyrene er motile. Etter oppfinnelsen av mikroskop mikrober / mikroorganismer ble synlig. De har de grunnleggende egenskapene til levende vesener, det vil si de er i stand til å reprodusere seg selv, men strukturelt er de forskjellige fra makroplanter og dyr. De mikroskopiske levende vesener kalles som protister.
Protistene har relativt enkel struktur. De kan være unicellular eller multicellular. Selv i de multicellene er cellene ikke internt forskjellige, og de er ikke organisert som vev. Makroplanter og dyr har vev, som utfører forskjellige funksjoner. Protist klassifikasjoner er gitt i tabell 9.3.
Figurene 9.19A og 9.19B viser typiske strukturer av prokaryote og eukaryote celler.
Foruten protistene er det noen sub-mikroskopiske levedyktige partikler kjent som virus. Disse er kun synlige under elektronmikroskop. Deres størrelse varierer mellom 0, 02-0, 08 pm. I utgangspunktet er de enten et DNA eller et RNA omgitt av et skall av protein. De er ikke i stand til å reprodusere alene. De infiserer vertsceller og induserer dem til å replikere seg og derved produsere flere virus.
prokaryoter:
Prokaryoter er unicellulære og er vanligvis mindre enn 5 μm i diameter. De har veldig enkel struktur og er begrenset av en membran. De fleste av dem har stive cellevegger. Inne i en celle er det en kjerne og cytoplasma. Kjernen separeres ikke fra cytoplasma med en membran. De enzymer som deltar i respirasjon og fotosyntetiske reaksjoner ligger i cellemembranen eller i foldingen. Prokaryoter er ikke fagotropiske, det vil si at de ikke kan innta mat.
De utskiller ekstracellulære hydrolytiske enzymer, som hydrolyserer suspenderte organiske partikler og oppløser store organiske molekyler i mindre. De hydrolyserer mindre molekyler og går deretter inn i cellene ved hjelp av ulike mekanismer. Prokaryotene beveger seg normalt ved hjelp av flagella, som er spiralformet fibril som utstikker gjennom cellemembranen. I utgangspunktet er det to grupper av prokaryoter, nemlig bakterielle og blågrønne alger.
Bakterie:
Bakterier er ensartede. Deres størrelse varierer mellom 0, 2 og 2 μm. De er klassifisert i tre grupper: myxobakterier, spiroketter og eubakterier. Avhengig av deres form betegnes de som kokk (sfærisk), baciller (stang som) og spirilla (spiraler).
Myxobakterier er stangformet, har tynne delikate vegger. De beveger seg med glidende handling. De oppnår maten ved å dele andre organismer, slik som bakterier, sopp, alger, etc. Spiroketene er helikoidformet og har delikate, fleksible vegger. Det er relativt langt i forhold til bredden. De bor i gjørme og vann og er anaerobe. Noen er parasittiske.
eubacteria:
Bakterier, unntatt myxobakteriene og spiroketene, grupperes som eubakterier. Deres former kan være stang som sfærisk eller spiral. Noen av dem har flagella og er motile, mens de andre er immotile. De har vært underklassifisert i henhold til deres metabolske og energiske egenskaper. Generelt er de encellulære, men noen former aggregerer, mens noen andre er filamentøse.
Blågrønne alger:
De kan være enscellulære eller multicellulære. De multipliserer med binær fisjon. De multi-cellulære er filamenter av identiske celler som holder sammen av en felles yttervegg. En kort del av et filament som inneholder noen celler frigjøres og det frigjorte filamentet vokser ved binær deling av cellene i ett plan.
De unicellulære filamenter er immotile mens de multi-cellulære filamenter kan glide. Blågrønnealger er fotosyntetiske. Deres farge er generelt blågrønn. Noen arter har rød, lilla, brun og svart farge. Noen arter kan fikse atmosfærisk nitrogen.
eukaryoter:
Eukaryoter har mer kompleks struktur enn prokaryotene. Diameteren er mer enn 20 pm. Hver celle har flere organeller som kjerne, mitokondrier, endoplasmisk retikulum, Golgi-apparat, vakuol, lysomer, ribosomer, kloroplaster etc. Hver av disse har en spesifikk funksjon. Hver cell har en ytre cellemembran. Noen har cellevegger. De indre organeller er begrenset av membraner.
De eukaryote cellene uten cellevegger utviser amoeboidbevegelse på grunn av cytoplasmatisk bevegelse, kalt cytoplasmatisk streaming. De med cellevegger beveger seg ved hjelp av flagella. Eukaryoter har blitt klassifisert i tre grupper, nemlig alger, protozoer og sopp.
Eukaryotiske Alger :
Disse kan være enscellulære eller multicellulære. I multi-cellulære er cellene ikke forskjellige fra hverandre. De er fotosyntetiske, noen har cellevegger og dermed er de osmotrofe. De uten cellevegger inntar mindre organismer fagotrofisk. De kan vokse i uorganiske medier. Disse er ikke av betydning for avløpsvannbehandling.
Imidlertid hjelper de symbiotisk bakterier som de produserer oksygen under fotosyntese. Spredning av alger i nærvær av uorganiske næringsstoffer forårsaker problem under filtrering ettersom kjøreperioden reduseres. Det er seks hovedgrupper av eukaryotiske alger, de fleste har flagella, unntaket er de røde alger. De adskiller seg fra de andre i deres kloroplast pigmentfarge, celleveggsammensetning og forbeholder matblanding.
protozoer:
Disse er unicellular, ikke-fotosyntetiske og motile. Noen er parasittiske, og den andre er fagotrof. Majoritetene er aerobic og noen få er anaerobe. De fagotrofene inntar mindre organisme og organisk materiale. Gruppen suctoria preyser på protozoer. De bidrar til bio-flokkulering.
Protozoer har blitt gruppert i fem hovedgrupper: Mastigophora, Sarcodina, Sporozoa, Ciliate og Suctoria. Mastigophora har flagella. Vanligvis er de parasittiske. Noen er patogene, noen er ikke.
Sarcodina:
Hovedmodus for bevegelse av denne gruppen er amoeboid type bevegelse ved hjelp av pseudopoder. Noen har flagella. Noen er fagocitiske, mens noen er parasittiske. Amoeba som forårsaker amoebisk dysenteri hos mennesker tilhører denne gruppen. Sporozoa er osmotrope parasitter. Noen er immotile, mens de andre beveger seg med glidende handling. De har ingen rolle i avløpsvannbehandling. De er patogene.
ciliate:
Denne gruppen er viktig i avløpsvannbehandling. De er fagotropiske. De har kort hår som fremspring (Cilia). Ved hjelp av Cilia flytter de og fanger mat. Det er to undergrupper, en fri svømmetur og den andre stalkede typen.
Suctoria:
De har Cilia på det tidlige stadiet av deres livssyklus. Senere utvikler de tentakler. Ved hjelp av tentakler de byttet på andre protozoer.
sopp:
Svampe er for det meste multinukleat og har en struktur kjent som mycelium. Flertallet av dem er aerobic, mens noen er anaerobe. De lever på alle typer organisk materiale, selv på bakterielt nedbrytte organiske rester. Hovedgruppene er: Phycomycetes, Ascomycota, Basidioniycetes og Fungi Imperfecti. Gjær er unicellular sopp. Svamp reproduksjon enten ved spirende eller ved binær fisjon. De har noen industrielle applikasjoner.
Generelt svampe er ikke til bruk i avløpsvannbehandling. Annet enn protistene, kan noen små heterotrofiske multicellulære aerobic dyr kjent som roterende midler være tilstede i aerobavløpsbehandlingsenheter. De har to sett med roterende Cilia på hodet. De brukes til både motilitet og fange mat.
Mikrobiell interaksjon i avløpsvannbehandling:
For behandling av avløpsvann er det nesten alltid et mikrobial samfunn som har ulike arter av organismer, som går inn i en behandlingsenhet. Disse organismene kan komme inn i en behandlingsenhet fra omgivelsene, så vel som sammen med vannet selv. Svært ofte blir en del av biomassen (mikrober) produsert under avløpsvannet resirkulert til behandlingsenheten. For å redusere et spesifisert forurensende stoff, tilsettes noen spesifikke organismer noen ganger.
Avløpsvann vil alltid inneholde ulike kjemikalier (forurensninger) og for deres reduksjon er tilstedeværelsen av forskjellige typer mikrober nyttig og noen ganger viktig. Disse organismer samhandler med hverandre under prosessen.
Befolkningen av individuelle mikrobertyper kan gjennomgå endring med kvalitativ og kvantitativ variasjon av egenskapene til en avløpsvannstrøm som kommer inn i en behandlingsenhet, men systemet kan ha en generell stabilitet dersom et bredt spekter av mikrober var tilstede i systemet.
Men hvis det er begrenset samfunn, det vil si noen utvalgte arter brukes i en partikkelformet situasjon, kan systemet bli opprørt lett på grunn av støtendringer i strømning / egenskaper av avløpsvannstrømmen som blir behandlet. Samspillet mellom de forskjellige mikroberartene som finnes i et avløpsvannbehandlingssystem kan være av følgende typer: nøytral, velvillig og antagonistisk.
Nøytral interaksjon:
Når artene som er tilstede i et økosystem ikke bruker det samme substratet (mat), er deres miljøbehov forskjellig, og de bruker ikke metabolske produkter og biprodukter fra hverandre, da interaksjon sies å være nøytral. I et samfunn av mikroorganismer i et hvilket som helst økosystem er en slik interaksjon svært sjelden.
Velvillig interaksjon:
I et økosystem hjelper noen organismer en annen organisme i sin metabolske aktivitet eller i å opprettholde et miljøkrav, og de skader hverandre ikke. En slik interaksjon mellom organismene refereres til som velvillig interaksjon.
Det er to typer velvillige interaksjoner, nemlig Commensalism og Mutualism. Noen ganger brukes metabolske produkter eller biprodukter fra en organisme av en annen organisme. Slike interaksjoner mellom to arter betegnes som commensalism interaksjon.
Eksempler på slike interaksjoner er:
(1) Glukose eller en vekstfaktor produsert av en organisme som benyttes av andre organismer
(2) Fenol (giftig for noen organismer) konsumert av en organisme i et økosystem slik at de andre organismer som er tilstede i systemet, ikke vil bli skadet.
Når organismer som er tilstede i et økosystem hjelper hverandre, kalles samspillet som mutualisme. Et eksempel er samspillet mellom alger og bakterier i en aerob behandlingsenhet. Alger under fotosyntese produserer O 2, som hjelper aerobic bakterier i deres metabolske aktivitet. Bakterier som produserer CO 2 under respirasjon hjelper alger i fotosyntese.
Antagonistisk interaksjon:
Noen ganger konkurrerer en type organisme med en annen av samme ressurs eller en type hindrer vekst av en annen, eller det er et rovdyr-forhold mellom to typer organismer. I slike situasjoner sa samspillet mellom artene seg å være antagonistiske.
Noen eksempler på antagonistisk type interaksjoner er:
(1) Fakultative og obligatoriske aerobic bakterier som bekrefter oppløst oksygen,
(2) Alger som produserer O 2 under fotosyntese og dermed forhindrer vekst av obligatorisk anaerobe, og
(3) Protozoa preying på bakterier.
Mikrofysiologi:
Mikrobielle celler inneholder omtrent 80 prosent vann. Den gjenværende del består av C, O2, H2, N2, P og S. Metaller som Na, K, Ca, Mg, Fe er også tilstede i mikrobielle celler. C, O2, H2 og N2 bestanddelene i en celle blir ofte tilnærmet (på asffri basis) ved formelen C5H7O2 N. For syntese (reproduksjon) av nye mikrober annet enn H2 og O 2 (som kan oppnås fra vann) er de viktigste elementene C og N 2 .
En relativt liten mengde P og S kreves, og det er også behov for meget små mengder av de ovenfor nevnte metaller. Mikrober oppnår de forskjellige bestanddelene for deres reproduksjon fra deres miljø (økosystem). Mikroberne trenger også energi for bevegelsen, så vel som å utføre deres metabolske (katabolske og anabole) aktiviteter.
Kildene til ovennevnte bestanddeler som kreves for reproduksjon av mikrober i et avløpsvannbehandlingssystem er:
N 2 Kilde:
For syntese av proteiner og nukleinsyrer skal nitrogenholdige forbindelser bli tilsatt til en avløpsbehandlingsenhet hvis de ikke er tilstede som en bestanddel av de tilstøtende forurensningene.
O 2 Kilder:
Autotrofer bruker CO 2 og H 2 O som kildene til O 2 . Heterotrophs bruker oksygenholdige organiske forbindelser og H20.
C Kilde:
Autotrofer bruker CO 2 som karbonkilde mens heterotrofer bruker organiske forbindelser som kilden til karbon.
S Kilde:
Svovel som kreves for proteinsyntese er oppnådd fra svovelbærende forbindelser som normalt finnes i avløpsvann.
P Kilde:
Fosfor som kreves for syntese av nukleinsyrer og fosfolipider er oppnådd fra uorganiske fosfater og organofosforforbindelser som normalt finnes i avløpsvann. For energioverføring for bevegelse samt for metabolisk aktivitet er organofosforforbindelser ATP (adenosintrifosfat), ADP (adenosindi-fosfat) og AMP (adenosinmonofosfat) påkrevd. Disse syntetiseres av mikroberene som benytter fosfor (uorganisk / organisk) som er til stede i avløpsvann.
Klassifiseringen av mikrober basert på deres metabolske og energiske egenskaper er som angitt i tabell 9.4.
Fra tabell 9.4 er det tydelig at kjemoheterotrofene er mest nyttige for behandling av avløpsvann som inneholder organiske stoffer. Fotoautotrophene er til nytte da de beriker avløpsvann med oppløst oksygen, som produseres under fotosyntese.
Følgende kriterier brukes for klassifisering av kjemoheterotrof:
1. Prosessen hvor de møter deres energibehov,
2. Temperaturområdet der de er mer aktive.
Den kjemoheterotrofiske som bruker oppløst O 2 til å oksidere organiske forbindelser for å produsere energi kalles aerobes. De som produserer energi ved å dekomponere organiske forbindelser (fermenteringsprosesser) i fravær av oppløst O 2 kalles anaerober. Det er en tredje gruppe som oppfører seg aerobt i nærvær av oppløst oksygen og anaerobt i fravær av oppløst oksygen. Denne gruppen kalles fakultative mikrober. Klassifisering av kjemoheterotrophic i henhold til temperaturområdet der de er mer aktive, er gitt i tabell 9.5.
De metabolske og energiske reaksjonene, som utføres av kjemoheterotrofiske, er gruppert som katabolisk rute, amfibolisk rute, anaplerotisk rute og anabole rute. Gjennom disse trinnene får organismene sin energi og syntetiserer forbindelser som nukleinsyrer, proteiner, polysakkarider, lipider etc. og til slutt produserer nye mikrobielle celler. De spesifikke aktivitetene utført langs de nevnte rutene er oppsummert i det følgende.
Katabolisk rute:
Generelt utføres katabolske aktiviteter i to faser. I første fase løses det suspenderte organiske stoffet i avløpsvann og de større oppløste organiske molekylene hydrolyseres (spyttet) i mindre molekyler. Ekstracellulære enzymer deltar i disse reaksjonene. Den relativt små mengden energi frigjort under dette trinnet er ikke tilgjengelig for cellene (mikrober) ettersom reaksjonene oppstår utenfor cellene. .
Under den andre fasen av de katabolske prosessene produserte de mindre organiske molekylene allerede diffus inne i cellene. Det skjer videre splitting av de diffuserte molekylene, så vel som noen oksidasjonsreaksjoner. Energien frigjort under dette trinnet er tilgjengelig for cellene.
Amphibolisk rute:
Utgangsmaterialene for disse reaksjonene er materialene (molekylene) produsert i løpet av den andre fasen av katabole prosessen. Som et resultat av de amfiboliske reaksjonene produseres noen mellomprodukter for biosyntese, og noen oksidasjonsreaksjoner finner også sted.
Under en aerob prosess er de endelige oksidasjonsreaksjonene CO 2 og H 2 O. Produktene av oksydasjon under en anaerob prosess er CO 2 og noen andre organiske molekyler (ikke komponenter for biosyntese). Disse kalles fermenteringsprodukter.
Anaplerotisk rute:
Mellomproduktene produsert under amfibolisk prosess er ikke nok til å møte den totale etterspørselen etter biosynteseprosessene. Derfor produseres noen flere mellomprodukter av denne ruten.
Anabole rute:
Under denne prosessen polymeriseres deretter mellomproduktene fremstilt av den amfiboliske rute og den anaplerotiske rute, og til slutt produseres de forskjellige komponenter av cellene. Til syvende og sist fører det til produksjon av nye celler. Det skal her nevnes at alle aktivitetene (kjemiske reaksjoner) som forekommer inne i en celle, er enzym (komplekse proteinaktige forbindelser) katalysert.
Enzymatisk Kinetikk:
Alle kjemiske reaksjoner som finner sted inne i mikroorganismer (intracellulær) eller umiddelbart utenfor cellene (ekstracellulær) er enzymkatalysert. Enzymer er reaksjonsspesifikke, det vil si at hvert enzym er i stand til å utføre en bestemt reaksjon ved bruk av et spesifikt substrat (reaktant).
Som uorganiske katalysatorer kan enzymer bli forgiftet (hemmet) av noen kjemikalier. Enzymer blir også påvirket ved høyere temperatur og ugunstig pH-tilstand, noe som kan skyldes noen strukturelle endringer som forekommer i dem.
Kinetikken til enzymatiske reaksjoner har blitt studert av flere forskere. De har utviklet rate-ligninger basert på deres foreslåtte modeller. Noen av disse er omtalt nedenfor. Den grunnleggende ligningen refereres til som Michaelis-Menten-ligningen.
Enzymatiske reaksjoner i fravær av noen inhibitor antas å forekomme gjennom to trinn. I det første trinnet kombinerer et substrat (reaktant) molekyl (S) med et enzymmolekyl (E) for å danne et enzym-substratkompleks (ES). Denne reaksjonen anses å være en reversibel. I det andre trinnet gjennomgår komplekset (ES) en irreversibel reaksjon hvorved enzymmolekylet frigjøres og en eller flere produkter dannes. Den samlede prosessen kan være representert som
For modellering av enzym-substratkompleksdannelsesreaksjonen er to hypoteser blitt foreslått. Ifølge en hypotese oppnår denne reaksjonen likevekt umiddelbart. I henhold til den andre når denne reaksjonen en "pseudo-steady-state" tilstand øyeblikkelig, det vil si at formasjonshastigheten for ES-komplekset blir den samme som kompresjonshastigheten av komplekset ved reversreaksjonen. Den endelige ligningen utviklet for hastigheten på forsvunnelse av substratet / hastigheten til produktdannelse er identisk uavhengig av hvilken den ovenfor nevnte hypotesen aksepteres.
Eq. (9.29) er kjent som Michaelis-Menen ligningen. For å evaluere de kinetiske konstantene (Km og for en bestemt reaksjon, oppnås substratkonsentrasjonen [5] vs. tid, t-data eksperimentelt. Dataene som er oppnådd på denne måten kan plottes på forskjellige måter (som vist i figurene 9.20A, B, C & D) for estimering av Km og Vm. Figurene 9.20A, B, C & D er basert på de modifiserte former av Michaelis-Menten ligning.
Inhiberingsreaksjoner:
Enzymatiske reaksjoner kan bli hemmet (retarderte) på ulike måter. Inhibitorene kan være noen kjemikalier (I) annet enn substratet, selve substratet (ved høy konsentrasjon) og produktet (ved høy konsentrasjon). Inhiberingsreaksjonene er blitt betegnet som "Konkurransedyktig Inhibering", "Ikke-konkurransedyktig Inhibering", "Ikke-konkurransedyktig Inhibering", "Sub State Inhibition" og "Product Inhibition".
Symbolisk representasjon av de forskjellige typer inhiberingsreaksjoner og deres respektive hastighetsuttrykk er som følger:
Konkurransedyktig Inhibering:
hvor [I] = hemmerkonsentrasjon,
K 1 = likevektskonstant for EI-dissosjonsreaksjonen.
Ukompetitiv Inhibering:
Ikke-konkurransedyktig inhibering:
Substratinhibering:
Produktinhibering:
hvor K p = likevektskonstant for PES-dissosieringsreaksjonen. Det skal her påpekes at ovennevnte modeller og hastighetsekvasjoner er basert på premissen om at inhibering oppstår på grunn av mangel på noen enzymmolekyler for enzym-substratkompleksdannelsesreaksjonen på grunn av noen sekundære reaksjoner.
Mikrobiell vekstprosess:
Mikrober trenger karbon, oksygen, hydrogen, nitrogen og noen andre elementer for syntese av cellekomponenter, som til slutt fører til reproduksjon av nye celler. Organismerne trenger energi for å utføre syntesereaksjonene og for vedlikehold av andre aktiviteter enn for reproduksjon.
Vedlikeholdets energibehov betyr energi som kreves for å utføre cellefunksjoner, for eksempel motilitet, osmoregulering, fagocytose, cytoplasmatisk streaming etc. Vedlikeholdsenergi inkluderer også energi som trengs for å syntetisere noen cellekomponenter, som er nødvendige for utskifting av de nedbrytte komponenter. Noen cellekomponenter brytes ned, da deres frie energier er høyere sammenlignet med de av de opprinnelige byggeblokkene som de blir syntetisert fra.
Når en spesiell preparert blanding av organiske stoffer (referert til som et medium) inokuleres (som skjer i en batchoperasjon) med noen arter av organisme, passerer mikrobepopulasjonen i den blandingen gjennom en typisk vekstprosess som vist i figur 9.21 . Den organiske substansen som er tilstede i et medium, som virker som kullkilden for mikroberene, betegnes som substratet.
Det bør her påpekes at den totale mengden mikrober som finnes i et økosystem på et hvilket som helst tidspunkt, består av to grupper, nemlig "levedyktige organismer" og "døde organismer". Levende organismer er de som er i stand til å reprodusere, mens de "døde" lever, men ikke er i stand til reproduksjon. De bruker energi til å utføre alle typer aktiviteter unntatt reproduksjon.
Figur 9.21 viser at frekvensen av mikrobepopulasjonsvekst under en batchoperasjon passerer gjennom forskjellige faser. Disse refereres vanligvis til som fase I, II, III og IV.
Fase I betegnes som "lagfase". I løpet av denne fasen øker befolkningen (av levedyktige celler) sakte ettersom organismer tar tid for å bli akklimatisert med omgivelsene.
Fase II er kjent som "logfasen" som i denne perioden øker populasjonen eksponentielt ved bruk av substratet som er tilgjengelig i mediet.
Fase III er kjent som "stasjonær fase". I løpet av denne perioden forblir befolkningen i de levedyktige celler nesten statisk på grunn av mangel på tilstrekkelig substrat. Produksjonshastigheten for nye celler i denne perioden er praktisk talt den samme som konverteringshastigheten for levedyktige celler til døde celler. I løpet av denne fasen er det tilgjengelige substratet hovedsakelig benyttet for å tilfredsstille vedlikeholdsenergibehovet til cellene.
Fase IV betegnes som "henfallsfase". Ingen substrat er tilgjengelig i denne perioden. Cellene metaboliserer sin lagrede mat for å møte deres vedlikeholdsbehov. Progressivt gjennomgår noen av cellene lysis, det vil si desintegrere og derved gi organiske stoffer til den gjenværende cellen for å møte deres vedlikeholdsenergibehov. Lysis resulterer i reduksjon i cellepopulasjonen, som refereres til som celle 'henfall'
Under fasene I til III oppfyller substratet som er tilgjengelig i et medium vekst- eller vedlikeholdsenergibehovet til organismer. Denne perioden betegnes som den eksogene perioden. Under fase IV, i fravær av substrat, metaboliserer cellene deres lagret mat så vel som substansene frigjort som følge av lys av noen celler. Denne perioden refereres til som den endogene perioden.
Det har tidligere vært nevnt at kjemoheterotrofisk spiller hovedrollen i biologisk behandling av avløpsvann. De benytter substratet (forurensning) som finnes i avløpsvann for å møte materialet (for biosyntese) og energibehov. To alternative hypoteser er blitt postulert for å forklare hvordan mikrober oppnår dette.
Ifølge en hypotese syntetiserer cellene deres organeller og endogen (mat) reserve ved hjelp av substratet. Sekventielt deles en del av den endogene reserve for å tilfredsstille vedlikeholdsenergibehovet til cellene.
Ifølge den andre hypotesen benyttes substrat for å oppfylle syntesebehovet, samt å møte vedlikeholdsenergibehovet samtidig. Konseptuelt og logisk er denne hypotesen mer realistisk. Det skal her påpekes at ifølge denne hypotesen ved slutten av den eksogene perioden ville cellene oppfylle deres vedlikeholdsenergibehov på bekostning av endogen reserve.
Det er lettere å formulere en matematisk modell basert på den første hypotesen, selv om denne hypotesen ikke er en logisk. En matematisk modell basert på den andre hypotesen ville være komplisert, da den må inneholde termer som representerer både de eksogene og de endogene prosessene og kriteriene for når den endogene prosessperioden ville få betydning.
I en kontinuerlig avløpsbehandlingsprosess går det inn i en prosessutstyr (en bioreaktor) som allerede inneholder en stor mengde mikrober av forskjellige arter, og inneholder en forurensning som inneholder forurensende stoffer (med lav eller nesten null mikrobefolkning). En utløp forlater bioreaktoren nesten utarmet av bionedbrytbare forurensninger. Utløpet vil inneholde et større antall mikrober enn det som er i innflytelsen.
Denne økningen i celletallet skyldes bionedbrytning av forurensingsmassen tilstede i influensa. En del av forurensningsmassen nedbrytes utnyttes for å reprodusere nye celler mens den andre delen går for å møte energibehovet til cellene. Det er svært vanskelig, om ikke umulig å kvantifisere hvor mye av den nedbrytte forurensingsmassen som brukes til å møte energibehovet til cellene. Men utvikling av en kvantitativ korrelasjon av cellemassevekst er mengdeutslippshastigheten for forurensende stoffer meget mulig.
Fra avløpsvannssynspunkt ville man være interessert i å utvikle et uttrykk for den totale mengden av forurensning av forurensende masse i en strømningsstrøm slik at det samme kan brukes til å designe et egnet prosessutstyr.
Cell Growth Kinetics:
Cellene multipliseres ved binær fisjon av levedyktige celler. Dermed vil frekvensen av celle (masse) vekst (i fravær av rovdyr, celledød og cellefall) i en batchoperasjon avhenge av konsentrasjonen av de levedyktige celler i en bioreaktor på et hvilket som helst tidspunkt. Det kan uttrykkes som-
hvor, r G, X v = produksjonshastighet av levedyktige celler (masse) per volum av en bioreaktor,
[X V ] = konsentrasjon av levedyktige celler (masse) til enhver tid, og
μ = spesifikk vekstkonstant.
Den numeriske verdien av | i for en bestemt mikrobe-substratkombinasjon avhenger av substratkonsentrasjonen, mikronæringsmiddelkonsentrasjonen, pH, temperaturen etc. i en bioreaktor.
Undersøkere, basert på deres eksperimentelle forsøk ved kontrollert pH, temperatur og mikronærings konsentrasjon har oppnådd en generell korrelasjon for μ som en funksjon av substratkonsentrasjon [S] som vist i Eq. (9.36)
De numeriske verdiene for μm og Ks har vist seg å avhenge av pH, temperatur og mikronærings-konsentrasjon for et hvilket som helst spesifikt mikrobe-substratsystem.
Ligning (9.36) er kjent som Monod ligning. Den er lik i form til den av Michaelis-Menten ligning for enzymatisk reaksjon [Eq. (9.29)].
Kombinasjon av Eqs. (9.35) og (9.36), resulterer i ekv. (9, 37)
Det bør her påpekes at i en avløpsbehandlingsenhet ville en blandet mengde mikrober og en rekke forurensende stoffer (kjemikalier) være tilstede. For en slik enhet kan μm og K s ikke kompileres ved å kombinere data fra litteraturen for spesifikke mikrobe-substratsystemer. For hver enkelt situasjon må H m og K s eksperimentelt evalueres.
Under biologisk behandling av avløpsvann, bruker mikroberene kullkildene (substrat, dvs. biologisk nedbrytbare organiske forbindelser) for reproduksjon, samt å møte vedlikeholdsbehov. Under aerob tilstand vil energiproduksjonstrinnene produsere CO 2 og H 2 O som sluttproduktene, mens under anaerobe betingelser vil reaksjonsproduktene hovedsakelig være CO 2 og CH 4 .
Siden substrater benyttes for cellemassevekst så vel som å produsere energi, vil massefrekvensen av cellevekst være mindre enn substratutnyttelsen. Forholdet mellom de to uttrykkes normalt som
hvor y betegnes som utbyttet, det vil si massen av levedyktige celler produsert per massenhet av substrat utnyttet. Siden en avløpsvannsstrøm alltid inneholder en rekke organiske forbindelser (forurensende stoffer), er det vanlig å uttrykke substratkonsentrasjonen [S], enten i form av BOD eller COD i mg O 2 / L-enhet, og ikke når det gjelder konsentrasjoner av de enkelte forurensende stoffene er tilstede.
Utbyttet, y, ville ha en maksimal verdi dersom vedlikeholdsenergien måtte være null. Under en slik situasjon er y representert ved symbolet y g . Selv om vedlikeholdsenergien var null, ville g ha en verdi mindre enn en som biosyntesen (vekst) prosessen trenger energi. Den numeriske verdien av y har vist seg å være avhengig av substratet som brukes, dets konsentrasjon, arten av organismen som brukes og miljøfaktorer som temperatur, pH, etc.
Eksperimentelle studier har vist at den numeriske verdien av y er ca. 0, 5 når avløpsvann behandles aerobt. Men under anaerobe behandlingsforhold er verdien av y funnet å være rundt 0, 1
På kombinere Eqs. (9.35) og (9.38) får man Eq. (9.39),
Det skal bemerkes at i løpet av en biologisk prosess blir flere levedyktige celler "døde" og noen gjennomgår lysis (forfall). Derfor kan nettoprosentraten for levedyktige celler uttrykkes som-
Det er tidligere nevnt at mikrober tilstede i et hvilket som helst system er av to typer, nemlig "levedyktig" og "død". Konsentrasjonen av den totale cellepopulasjonen (masse) ved et hvilket som helst gitt tidspunkt ville være summen av konsentrasjonen av hver type på det tidspunktet,
hvor, [X] = konsentrasjon av total cellemasse.
Et uttrykk for endringshastigheten av totalcellemassen under en eksogen prosess kan oppnås ved å kombinere Eqs. (9, 40), (9, 41) og (9, 42)
Biokjemiske reaksjoner er i utgangspunktet kjemiske reaksjoner katalysert av (ekstra / intracellulære) enzymer. Derfor er de spesifikke hastighetskonstantene, f.eks. P, b og y, temperaturavhengige. Deres numeriske verdier øker med temperaturøkning. Deres temperaturavhengighet kan være representert av Arrhenius type forholdet,
Imidlertid blir relasjonen ofte uttrykt empirisk som
hvor k 0 tilsvarer noen grunntemperatur f 0 uttrykt i ° C og k tilsvarer driftstemperaturen t ° C. Den numeriske verdien av O har blitt funnet å variere mellom 1, 03 og 1, 1. Generelt er det tatt som 1, 08.
De numeriske verdiene for de eksperimentelt evaluerte kinetiske parametrene, μm, K s, Υ og b avhenger av substratorganismekombinasjonen, så vel som næringskonsentrasjon, pH og temperatur opprettholdt under en bestemt undersøkelse.
Det har blitt observert at for et lett nedbrytbart substrat er tallverdien av μm høy, mens det for et substrat som er vanskelig å nedbryte verdien av μm, er lavt. Den numeriske verdien av Ks er lav i tilfelle av et lett nedbrytbart substrat og høyt for et substrat som er vanskelig å nedbryte. Noen typiske verdier av de kinetiske parametrene for blandet kultur-aerob behandling av avløpsvannbehandling er oppført i tabell 9.6
Generelt antas det at b v = b d .
Det har blitt funnet at den levedyktige cellemassevekst for både aerobiske prosesser og anaerobe prosesser følger ekv. (9, 37). Eksperimentelle data viser at for anaerobe prosesser μm er lavere og K s er høyere sammenlignet med de som er oppført for aerobe prosesser i Tabell 9.6.
