Antrinis nuotekų valymas (su diagrama)
Perskaitykite šį straipsnį, kad sužinotumėte apie antrinį nuotekų valymą.
Antrinis gydymas taip pat žinomas kaip biologinis apdorojimas. Jis gali sumažinti biologiškai skaidomas ištirpusias ir (arba) suspenduotas organines medžiagas. Atliekant antrinį apdorojimą, iš nuotekų srauto taip pat galima pašalinti ištirpusius azoto ir fosforo junginius.
Organinės medžiagos, kurios yra skaidomos mikroorganizmų (mikrobų, kurie yra visur), yra vadinamos biologiškai skaidomomis medžiagomis. Mikroorganizmai gamina fermentus (sudėtines baltymines medžiagas), kurios veikia kaip katalizatoriai biologiniam skaidymui. Šie procesai vyksta per keletą reakcijų, kurios vadinamos biocheminiais keliais.
Reakcijos gali vykti esant ištirpusiam deguoniui. Tai vadinama aerobinėmis reakcijomis (procesais). Kai kurios reakcijos vyksta visiškai nesant deguonies. Tai vadinama anaerobiniais / privalomais anaerobiniais procesais. Aerobinės būklės reakcijos skiriasi nuo anaerobinės būklės.
Yra keletas mikrobų, kurie gali atlikti biologines reakcijas tiek aerobinėmis, tiek anaerobinėmis sąlygomis. Šie mikrobai vadinami fakultatyviniais mikrobais, o procesai vadinami fakultatyviais.
Biologiniam nuotekų, turinčių organinių medžiagų (ištirpintų ir (arba) suspenduotų), apdorojimui naudojami mikroorganizmai ir palaikomos sąlygos gali būti aerobinės arba anaerobinės. Siekiant geriau suprasti šiuos procesus, būtina susipažinti su pagrindinėmis įvairių tipų mikrobų charakteristikomis, kurios trumpai aptariamos toliau.
Mikrobų pagrindai:
Iki mikroskopo išradimo gyvos būtybės buvo suskirstytos į dvi grupes: augalus ir gyvūnus. Augalai yra nemalti, o gyvūnai yra judrūs. Išradus mikroskopą, tapo matomi mikrobai / mikroorganizmai. Jie turi pagrindines gyvų būtybių charakteristikas, tai yra, jie sugeba atkurti save, tačiau struktūriškai jie skiriasi nuo makro-augalų ir gyvūnų. Mikroskopinės gyvos būtybės vadinamos protistais.
Protistai turi gana paprastą struktūrą. Jie gali būti vienaląsčiai arba daugialypiai. Net ir daugiakampėse, ląstelės nėra skirtingos viduje, ir jos nėra organizuotos kaip audiniai. Makro-augalai ir gyvūnai turi audinių, atliekančių skirtingas funkcijas. Protistiniai klasifikatoriai pateikti 9.3 lentelėje.
Fig. 9.19A ir 9.19B parodo tipines prokarioto ir eukariotinių ląstelių struktūras.
Be protistų yra keletas submikroskopinių gyvybingų dalelių, žinomų kaip virusai. Tai matoma tik elektronų mikroskopu. Jų dydis svyruoja tarp 0.02-0.08 val. Iš esmės jie yra arba DNR, arba RNR, apsupta baltymų apvalkalo. Jie negali savarankiškai atkurti. Jie užkrėsti ląstelių šeimininkus ir paskatina juos pasikartoti ir taip sukurti daugiau virusų.
Prokariotai:
Prokariotai yra vienaląsiai ir paprastai yra mažesni nei 5 μm skersmens. Jie turi labai paprastą struktūrą ir juos riboja membrana. Dauguma jų turi standžiųjų ląstelių sienelių. Ląstelės viduje yra branduolys ir citoplazma. Branduolys nėra atskiriamas nuo citoplazmos membrana. Kvėpavimo ir fotosintezės reakcijose dalyvaujantys fermentai yra ląstelių membranoje arba jo sulankstyme. Prokariotai nėra fagotropiniai, ty jie negali suvalgyti maisto.
Jie išskiria nešūninius hidrolizinius fermentus, kurie hidrolizuoja suspenduotas organines daleles ir ištirpina dideles organines molekules į mažesnes. Jie hidrolizuoja mažesnes molekules, tada patenka į ląsteles įvairiais mechanizmais. Paprastai prokariotai perkelia su flageliu, kuris yra sraigtinis fibrilas, išsikišęs per ląstelių membraną. Iš esmės, yra dvi prokariotų grupės, būtent bakterinės ir mėlynai žalios dumbliai.
Bakterijos:
Bakterijos yra vienaląsčių. Jų dydis svyruoja nuo 0, 2 iki 2 µm. Jie skirstomi į tris grupes: mikobakterijas, spirocetus ir eubakterijas. Priklausomai nuo jų formos jie vadinami kokcieliais (sferiniais), baciliais (lazdelėmis) ir spirilėmis (spiralėmis).
Myxobacteria yra lazdelės formos, turinčios plonas subtilias sienas. Jie juda slidėmis. Jie gauna savo maistą suskaidydami (lydydami) kitus organizmus, tokius kaip bakterijos, grybai, dumbliai ir kt. Spirocetai yra sraigtinio formos, turintys subtilias lanksčias sienas. Palyginti su jų plotiu, yra gana ilgas. Jie gyvena purvu ir vandeniu ir yra anaerobiniai. Kai kurie yra parazitiniai.
Eubakterijos:
Bakterijos, išskyrus mikobakterijas ir spirocetus, yra sugrupuotos kaip eubakterijos. Jų formos gali būti lazdelės, panašios į sferinį ar spiralinį. Kai kurie iš jų turi vėliavą ir yra judrūs, o kiti yra nekalti. Jie buvo klasifikuojami pagal jų metabolines ir energetines savybes. Apskritai, jie yra vienaląsčiai, bet kai kurie sudaro agregatus, o kai kurie kiti yra gijiniai.
Mėlynos-žalios dumbliai:
Jie gali būti vienaląsčiai arba daugiakampiai. Jie dauginasi dvejetainiu dalijimu. Daugialypiai yra identiškų ląstelių, turinčių bendrą išorinę sienelę, filamentai. Išlaisvinamas trumpas pluošto, kuriame yra kelios ląstelės, dalis, o išlaisvintas kaitinamasis elementas auga dvejetainiu ląstelių skaidymu vienoje plokštumoje.
Vienaląsniosios gijos yra imotilios, o daugeliui ląstelių gijos gali slinkti. Mėlyna-žalia dumbliai yra fotosintezės. Jų spalva paprastai yra mėlyna žalia. Kai kurios rūšys yra raudonos, violetinės, rudos ir juodos spalvos. Kai kurios rūšys gali nustatyti atmosferos azotą.
Eukariotai:
Eukariotai turi sudėtingesnę struktūrą nei prokariotai. Jų skersmuo didesnis nei 20 val. Kiekvienoje ląstelėje yra keletas organelių, pvz., Branduolio, mitochondrijos, endoplazminio retikulo, Golgi aparato, vakuolių, lizomų, ribosomų, chloroplastų ir tt Kiekviena iš jų turi specifinę funkciją. Kiekvienoje ląstelėje yra išorinė ląstelinė membrana. Kai kurie turi ląstelių sieneles. Vidiniai organeliai yra ribojami membranomis.
Eukariotinės ląstelės, kuriose nėra ląstelių sienelių, pasižymi amoeboidiniu judėjimu dėl citoplazminio judėjimo, vadinamo citoplazminiu srautu. Tie, kurie turi ląstelių sieneles, veda su flagella. Eukariotai buvo suskirstyti į tris grupes: dumblius, pirmuonius ir grybus.
Eukariotinės dumbliai :
Jie gali būti vienaląsčiai arba daugiakampiai. Kelių ląstelių atveju ląstelės nesiskiria viena nuo kitos. Jie yra fotosintetiniai, kai kurie turi ląstelių sieneles ir todėl yra osmotrofiniai. Tie, kurie neturi ląstelių sienelių, fagotrofiškai suvartoja mažesnius organizmus. Jie gali augti neorganinėse terpėse. Jie nėra svarbūs nuotekų valymui.
Tačiau jie simbiotiškai padeda bakterijoms gaminti deguonį fotosintezės metu. Dumblių plitimas esant neorganinėms maistinėms medžiagoms sukelia problemą filtravimo metu, nes važiavimo laikotarpis mažėja. Eukariotinių dumblių grupėse yra šešios pagrindinės grupės, dauguma jų turi lipnias, išskyrus raudonąsias dumblius. Jie skiriasi nuo kitų chloroplastinio pigmento spalvos, ląstelių sienelių sudėties ir atsarginės maisto sudėties.
Protozonai:
Tai yra vienaląsčiai, ne fotosintetiniai ir judrūs. Kai kurie yra parazitiniai ir kiti yra fagotrofiniai. Didžioji dalis yra aerobinė, o kelios yra anaerobinės. Fagotrofiniai patiria mažesnį organizmą ir organinę medžiagą. Grupė suctoria grobis ant pirmuonių. Jie padeda biologinei flokuliacijai.
Protozonai buvo suskirstyti į penkias pagrindines grupes: Mastigophora, Sarcodina, Sporozoa, Ciliate ir Suctoria. Mastigophora turi vėliavą. Paprastai jie yra parazitiniai. Kai kurie yra patogeniški, kai kurie jų nėra.
Sarcodina:
Pagrindinis šios grupės judėjimo būdas yra amoeboido tipo judėjimas pseudopodų pagalba. Kai kurie turi vėliavą. Kai kurie yra fagocitai, o kai kurie yra parazitiniai. Šiai grupei priklauso ameba, sukelianti amoebinę dizenteriją žmonėms. Sporozoa yra osmotropiniai parazitai. Kai kurie iš jų yra nepalankūs, o kiti - sklandymo veiksmais. Jie neturi įtakos nuotekų valymui. Jie yra patogeniški.
Ciliate:
Ši grupė yra svarbi nuotekų valymui. Jie yra fagotropiniai. Jie turi trumpas plaukus panašias projekcijas (Cilia). Su Cilia pagalba jie persikelia ir užfiksuoja maistą. Yra du pogrupiai, vienas laisvas plaukimo tipas ir kitas kotelio tipas.
Suctoria:
Jie turi Ciliją ankstyvuoju jų gyvenimo ciklo etapu. Vėliau jie sukuria tentacles. Padedant tentacles, jie grobia kitus pirmuonius.
Grybai:
Grybai dažniausiai yra daugiasluoksni ir turi savo gleivinę. Dauguma jų yra aerobiniai, o kai kurie yra anaerobiniai. Jie gyvena visų tipų organinėse medžiagose, net ir bakterijų degraduojamose organinėse liekanose. Pagrindinės grupės: Phycomycetes, Ascomycota's, Basidioniycetes ir Fungi - Imperfecti. Mielės yra vienaląsčiai grybai. Grybai dauginasi arba žudydami, tiek dvejetainiu būdu. Jie turi tam tikrą pramoninį pritaikymą.
Paprastai grybai nėra naudingi nuotekų valymui. Išskyrus protistus, aerobiniuose nuotekų valymo įrenginiuose gali būti keletas mažų heterotrofinių daugelio ląstelių aerobinių gyvūnų, žinomų kaip rotatoriai. Jie turi du besisukančius Cilia antgalius. Jie naudojami judrumui ir maisto užfiksavimui.
Mikrobų sąveika nuotekų valymo srityje:
Dėl nuotekų valymo beveik visada mikroorganizmų bendruomenė, turinti įvairias organizmų rūšis, patenka į gydymo skyrių. Šie organizmai gali patekti į gydymo įrenginį iš aplinkinės aplinkos ir kartu su pačiais nuotekomis. Labai dažnai dalis nuotekų valymo metu susidariusios biomasės (mikrobų) perdirbama į apdorojimo įrenginį. Tam tikriems teršalams mažinti kartais pridedami tam tikri organizmai.
Nuotekose visuomet būtų įvairių cheminių medžiagų (teršalų), o jų mažinimas yra naudingas ir kartais būtinas įvairių rūšių mikrobų buvimas. Šie organizmai proceso metu sąveikauja vienas su kitu.
Atskirų mikrobų rūšių populiacija gali keistis, kai kokybiškai ir kiekybiškai skiriasi nuotekų srauto, patekusio į valymo įrenginį, charakteristikos, tačiau sistema gali turėti bendrą stabilumą, jei sistemoje yra platus mikrobų spektras.
Tačiau, jei ribotos bendruomenės, ty kai kurių pasirinktų rūšių, naudojimas yra kietųjų dalelių padėtis, sistema gali lengvai nuliūdėti dėl smūgiuojamų nuotekų srauto / apdorojamo nuotekų srauto pokyčių. Įvairių mikroorganizmų rūšių, esančių nuotekų valymo sistemoje, sąveika gali būti šių tipų: neutralus, geranoriškas ir antagonistinis.
Neutralus sąveika:
Kai ekosistemoje esančios rūšys nesinaudoja tuo pačiu substratu (maistu), jų aplinkosaugos reikalavimai yra skirtingi ir jie nenaudoja vieni kitų medžiagų apykaitos produktų ir šalutinių produktų, o manoma, kad sąveika yra neutrali. Mikroorganizmų bendruomenėje bet kurioje ekosistemoje tokia sąveika yra labai reta.
Labai palanki sąveika:
Ekosistemoje kartais vienas organizmas padeda kitam organizmui jo metabolinėje veikloje arba išsaugo aplinkosaugos reikalavimus ir nekenkia vienas kitam. Tokia organizmų sąveika vadinama geranoriška sąveika.
Yra dvi geranoriškos sąveikos rūšys, būtent: kommensalizmas ir Mutualizmas. Kartais vieno organizmo metabolinius produktus ar šalutinius produktus naudoja kitas organizmas. Tokia dviejų rūšių sąveika vadinama komensalizmo sąveika.
Tokios sąveikos pavyzdžiai:
(1) Gliukozė arba augimo faktorius, kurį gamina vienas organizmas, naudojamas kitiems organizmams
(2) Fenolis (toksiškas kai kuriems organizmams), kurį vienas organizmas suvartoja ekosistemoje, kad kiti sistemoje esantys organizmai negalėtų pakenkti.
Kai ekosistemoje esantys organizmai padeda vieni kitiems, sąveika vadinama abipusiškumu. Pavyzdžiui, dumblių ir bakterijų sąveika aerobinio apdorojimo įrenginyje. Dumbliai fotosintezės metu gamina O 2, kuris padeda aerobinėms bakterijoms metabolinėje veikloje. Bakterijos, sukeliančios CO 2 kvėpavimo metu, fotosintezės metu padeda dumbliams.
Antagonistinė sąveika:
Kartais vienas organizmo tipas konkuruoja su tuo pačiu ištekliu ar vienu tipu neleidžia kito augimui arba yra dviejų rūšių organizmų plėšrūnų ir grobių santykis. Tokiose situacijose sąveika tarp rūšių, kurios, kaip manoma, yra antagonistinės.
Kai kurie antagonistinių sąveikos tipų pavyzdžiai:
(1) Fakultatyvios ir privalomos aerobinės bakterijos, išgyvenančios ištirpusį deguonį, \ t
(2) Dumbliai, kurių fotosintezės metu susidaro O 2, ir tokiu būdu užkirsti kelią privalomo anaerobo augimui;
(3) Protozonai, išgauti bakterijas.
Mikrobų fiziologija:
Mikrobinės ląstelės turi apie 80 proc. Vandens. Likusią dalį sudaro C, O2, H2, N2, P ir S. Metalai, tokie kaip Na, K, Ca, Mg, Fe, taip pat yra mikrobiologinėse ląstelėse. C, O 2, H 2 ir N 2 sudedamosios dalys ląstelėje dažnai yra apytiksliai apskaičiuojamos (be pelenų) pagal formulę C5H7O2 N. Naujų mikrobų, išskyrus H 2 ir O, sintezei (reprodukcijai) 2 (gali būti gaunami iš vandens) pagrindiniai reikalingi elementai yra C ir N 2 .
Reikalingas santykinai nedidelis kiekis P ir S, taip pat reikalingi labai nedideli minėtų metalų kiekiai. Mikrobai gauna įvairias sudedamąsias dalis jų reprodukcijai iš savo aplinkos (ekosistemos). Mikrobai taip pat turi energiją jų judėjimui, taip pat medžiagų apykaitos (kataboliniam ir anaboliniam) veikimui.
Minėtų sudedamųjų dalių, reikalingų mikroorganizmų atgaminimui nuotekų valymo sistemoje, šaltiniai yra:
N 2 šaltinis:
Baltymų ir nukleorūgščių sintezei prie nuotekų valymo įrenginio turi būti dedami azoto turintys junginiai, jei jie nėra kaip esančių teršalų sudedamoji dalis.
O 2 Šaltiniai:
Autotrofai naudoja CO 2 ir H2O kaip O 2 šaltinius. Heterotrofai naudoja deguonį turinčius organinius junginius ir H 2 O.
C Šaltinis:
Autotrofai naudoja anglies dioksidą kaip anglies šaltinį, o heterotrofai kaip anglies šaltinį naudoja organinius junginius.
S Šaltinis:
Sieros, reikalingos baltymų sintezei, gaunamos iš sieros turinčių junginių, paprastai esančių nuotekose.
P šaltinis:
Fosforas, reikalingas nukleino rūgščių ir fosfolipidų sintezei, gaunamas iš neorganinių fosfatų ir organofosforo junginių, paprastai esančių nuotekose. Energetiniam perdavimui, taip pat metaboliniam aktyvumui, reikalingi organofosforiniai junginiai ATP (adenozino trifosfatas), ADP (adenozino di-fosfatas) ir AMP (adenozino monofosfatas). Tai sintezuoja mikroorganizmai, naudojantys nuotekose esančius fosforą (neorganinius / organinius).
Mikrobų klasifikacija pagal jų metabolines ir energetines savybes yra išvardyta 9.4 lentelėje.
9.4 lentelėje matyti, kad chemoheterotrofiniai yra naudingiausi nuotekų, turinčių organinių medžiagų, apdorojimui. Fotoautotrofai yra naudingi, nes jie praturtina nuotekas su ištirpusiu deguonimi, kuris susidaro fotosintezės metu.
Klasifikuojant chemoheterotrofinius, naudojami šie kriterijai:
1. Procesas, kuriuo jie patenkina savo energijos poreikį, \ t
2. Temperatūros intervalas, kuriame jie yra aktyvesni.
Chemoheterotrofiniai, kurie naudoja ištirpintą O2, kad oksiduotų organinius junginius energijos gamybai, vadinami aerobais. Tie, kurie gamina energiją skaidydami organinius junginius (fermentacijos procesus) be ištirpusio O 2, vadinami anaerobais. Yra trečioji grupė, kuri elgiasi aerobiškai, kai yra ištirpusio deguonies ir anaerobiškai, kai nėra ištirpusio deguonies. Ši grupė vadinama fakultatyviniais mikrobais. Chemoheterotrofinis klasifikavimas pagal temperatūros intervalą, kuriame jie yra aktyvesni, pateiktas 9.5 lentelėje.
Metabolinės ir energetinės reakcijos, kurias vykdo chemoheterotrofinės, yra suskirstytos į katabolinį, amfibolinį, anaplerotinį ir anabolinį maršrutą. Per šiuos veiksmus organizmai gauna savo energiją ir sintezuoja junginius, tokius kaip nukleino rūgštys, baltymai, polisacharidai, lipidai ir tt, ir pagaliau gamina naujas mikrobines ląsteles. Konkrečios veiklos, vykdomos pirmiau minėtais maršrutais, apibendrintos toliau.
Katabolinis maršrutas:
Paprastai katabolinė veikla vykdoma dviem etapais. Pirmajame etape suspenduotos organinės medžiagos, esančios nuotekose, yra tirpintos ir didesnės ištirpusios organinės molekulės hidrolizuojamos (išsiskleidžiančios) į mažesnes molekules. Šiose reakcijose dalyvauja papildomi fermentai. Santykinai nedidelis energijos kiekis, išlaisvintas per šį etapą, nėra prieinamas ląstelėms (mikrobams), nes reakcijos vyksta už ląstelių ribų. .
Antrajame katabolinių procesų etape mažesnės organinės molekulės jau gamino ląsteles. Toliau išsklaidomos difuzinės molekulės, taip pat kai kurios oksidacijos reakcijos. Šiame etape išlaisvinta energija prieinama ląstelėms.
Amfibolinis maršrutas:
Šių reakcijų pradinės medžiagos yra medžiagos (molekulės), susidariusios per antrąjį katabolinio proceso etapą. Dėl amfibolinių reakcijų kai kurie tarpiniai junginiai gaminami biosintezei, o kai kurios oksidacijos reakcijos taip pat vyksta.
Aerobinio proceso metu galutiniai oksidacijos reakcijos produktai yra CO 2 ir H2O. Oksidacijos produktai anaerobinio proceso metu yra CO 2 ir kai kurios kitos organinės molekulės (ne komponentai biosintezei). Jie vadinami fermentacijos produktais.
Anaplerotinis maršrutas:
Amfibolinio proceso metu pagaminti tarpiniai produktai nėra pakankami, kad būtų patenkintas bendras biosintezės procesų poreikis. Taigi šiuo maršrutu gaminami dar keli tarpiniai produktai.
Anabolinis maršrutas:
Šio proceso metu po to polimerizuojami amfiboliniu būdu ir anaplerotiniu būdu pagaminti tarpiniai produktai, o galiausiai gaminami skirtingi ląstelių komponentai. Galų gale tai lemia naujų ląstelių gamybą. Čia reikėtų paminėti, kad visos ląstelės viduje vykstančios veiklos (cheminės reakcijos) yra katalizuojamos fermento (kompleksinių baltymų junginių).
Fermentinė kinetika:
Visos cheminės reakcijos, vykstančios mikroorganizmų ląstelėse (ląstelių viduje) arba iš karto už ląstelių (nešiojamųjų ląstelių), yra katalizuojamos fermentais. Fermentai yra specifiniai reakcijos, ty kiekvienas fermentas gali atlikti specifinę reakciją, naudodamas konkretų substratą (reagentą).
Kai kurie chemikalai, kaip ir neorganiniai katalizatoriai, gali užteršti fermentus. Fermentai taip pat patenka į aukštesnę temperatūrą ir neigiamą pH būklę, kuri gali atsirasti dėl kai kurių struktūrinių pokyčių.
Fermentinių reakcijų kinetiką tyrė keli mokslininkai. Jie sukūrė greičio lygtis, remdamiesi siūlomais modeliais. Kai kurie iš jų aptariami toliau. Pagrindinė lygtis vadinama Michaelis-Menten lygtimi.
Manoma, kad fermentų reakcijos be jokio inhibitoriaus atsiranda per du etapus. Pirmajame etape substrato (reagento) molekulė (S) sujungia su fermento molekule (E), kad susidarytų fermento substrato kompleksas (ES). Ši reakcija laikoma grįžtamuoju. Antrajame etape kompleksas (ES) patiria negrįžtamą reakciją, dėl kurios fermentinė molekulė išsiskiria ir susidaro vienas arba daugiau produktų. Bendras procesas gali būti pateikiamas kaip
Modeliuojant fermento-substrato komplekso susidarymo reakciją buvo pasiūlytos dvi hipotezės. Pagal vieną hipotezę ši reakcija pasiekia pusiausvyrą. Kita vertus, ši reakcija akimirksniu pasiekia „pseudo-pastovios būsenos“ būseną, ty ES komplekso susidarymo greitis tampa toks pat, kaip ir komplekso išnykimo greitis atvirkštine reakcija. Galutinė lygtis, sukurta substrato išnykimo greičiui / produkto formavimo greičiui, yra identiška, nepriklausomai nuo to, kuri pirmiau minėta hipotezė yra priimtina.
Eq. (9.29) yra žinoma kaip Michaelis-Menen lygtis. Siekiant įvertinti kinetines konstantas (Km ir specifinei reakcijai, substrato koncentracija [5], palyginti su laiku, t duomenys gaunami eksperimentiškai. Taip gauti duomenys gali būti pavaizduoti įvairiais būdais (kaip parodyta 9.20A, B paveiksluose)., C ir D) Km ir V m įvertinimui . 9.20A, B, C & D paveikslai pagrįsti modifikuotomis Michaelis-Menten lygties formomis.
Slopinimo reakcijos:
Fermentinės reakcijos įvairiais būdais gali būti slopinamos (retarduotos). Inhibitoriai gali būti kai kurios cheminės medžiagos (I), išskyrus substratą, pats substratas (didelėje koncentracijoje) ir produktas (didelės koncentracijos). Slopinimo reakcijos buvo vadinamos „konkurencinio slopinimo“, „nekonkurencinio slopinimo“, „nekonkurencinio slopinimo“, „subnacionalinio slopinimo“ ir „produkto slopinimo“.
Simbolinis skirtingų tipų slopinimo reakcijų tipų ir jų atitinkamų dažnių išraiška yra toks:
Konkurencinis uždraudimas:
kur [I] = inhibitoriaus koncentracija,
K 1 = EI disociacijos reakcijos pusiausvyros konstanta.
Nepakankamas uždraudimas:
Ne konkurencinis uždraudimas:
Substrato slopinimas:
Produkto slopinimas:
kur K p = PES disociacijos reakcijos pusiausvyros konstanta. Čia reikėtų pažymėti, kad pirmiau minėti modeliai ir greičio lygtys yra paremtos prielaida, kad dėl kai kurių antrinių reakcijų kai kurių fermentų molekulių nėra fermento substrato komplekso susidarymui.
Mikrobų augimo procesas:
Mikrobams reikia anglies, deguonies, vandenilio, azoto ir kitų elementų ląstelių komponentų sintezei, o tai galiausiai lemia naujų ląstelių dauginimąsi. Organizmams reikia energijos sintezės reakcijoms atlikti ir kitai veiklai, nei reprodukcijai, palaikyti.
Priežiūros energijai reikia energijos, reikalingos ląstelių funkcijoms atlikti, pvz., Judrumas, osmoreguliacija, fagocitozė, citoplazminis srautas ir kt. Priežiūros energija taip pat apima energiją, reikalingą kai kurių ląstelių komponentų sintezei, kurie reikalingi suskirstytiems komponentams pakeisti. Kai kurios ląstelių sudedamosios dalys suskaidomos, nes jų laisvoji energija yra didesnė, palyginti su originalių statybinių blokų, iš kurių jie yra sintezuojami, energija.
Kai tam tikros rūšies organizmuose inokuliuojamas specialiai paruoštas organinių medžiagų mišinys (vadinamas terpė), tada mikrobų populiacija toje mišinyje eina per tipišką augimo procesą, kaip parodyta 9.21 pav. . Organinė medžiaga, esanti terpėje, kuri veikia kaip mikrobų anglies šaltinis, vadinama substratu.
Čia reikia pažymėti, kad bendras mikrobų, esančių ekosistemoje, populiacija bet kuriuo laiko momentu susideda iš dviejų grupių, ty „gyvybingi organizmai“ ir „negyvi organizmai“. Gyvybingi organizmai yra tie, kurie sugeba atkurti, o „negyvi“ gyvena, bet negali atgaminti. Jie naudoja energiją visų rūšių veiklai, išskyrus dauginimąsi.
9.21 paveikslas rodo, kad mikrobų populiacijos augimo greitis partijos veikimo metu eina per skirtingus etapus. Jie paprastai vadinami I, II, III ir IV etapais.
I etapas vadinamas „atsilikimo etapu“. Šiame etape populiacija (gyvybingų ląstelių) didėja lėtai, nes organizmams prireikia laiko, kad susitaikytų su savo aplinka.
II etapas yra žinomas kaip „log fazė“, nes per šį laikotarpį populiacija eksponentiškai didėja, naudodama terpėje esantį substratą.
III etapas yra žinomas kaip „stacionari fazė“. Per šį laikotarpį gyvybingų ląstelių populiacija išlieka beveik statiška dėl to, kad nėra pakankamo substrato. Naujų ląstelių gamybos greitis per šį laikotarpį iš esmės yra toks pat kaip gyvybingų ląstelių konversijos į negyvas ląsteles greitis. Šio etapo metu naudojamas substratas daugiausia naudojamas norint patenkinti ląstelių techninės priežiūros poreikį.
IV etapas vadinamas „skilimo etapu“. Per šį laikotarpį nėra pagrindo. Ląstelės metabolizuoja saugomą maistą, kad atitiktų jų priežiūros energijos poreikį. Palaipsniui kai kurios ląstelės išgyvena lizą, tai yra, dezintegruojasi ir tiekia likusias ląsteles organinėms medžiagoms, kad atitiktų jų priežiūros energijos poreikį. Lizė lemia ląstelių populiacijos sumažėjimą, kuris vadinamas ląstelių „skilimu“.
I – III etapuose terpėje esantis substratas atitinka organizmų augimo ir priežiūros poreikį. Šis laikotarpis vadinamas išoriniu laikotarpiu. IV fazės metu, nesant jokio substrato, ląstelės metabolizuoja savo saugomą maistą ir medžiagas, išlaisvintas dėl kai kurių ląstelių lizės. Šis laikotarpis vadinamas endogeniniu laikotarpiu.
Anksčiau buvo minėta, kad chemoheterotrofiniai atlieka pagrindinį vaidmenį biologinio nuotekų valymo procese. Jie naudoja substratą (teršalus), esančius nuotekose, kad atitiktų savo medžiagą (biosintezei) ir energijos poreikį. Pateiktos dvi alternatyvios hipotezės, paaiškinančios, kaip mikrobai tai pasiekia.
Pagal vieną hipotezę ląstelės sintezuoja jų organinius ir endogeninius (maisto) rezervus, naudodamos substratą. Paprastai dalis endogeninio rezervo yra suskaidyta, kad atitiktų ląstelių priežiūros energijos poreikį.
Pagal kitą hipotezę substratas naudojamas sintezės reikalavimams patenkinti, taip pat ir tuo pačiu metu patenkinti priežiūros energijos poreikį. Konceptualiai ir logiškai ši hipotezė yra realesnė. Čia reikia pažymėti, kad pagal šią hipotezę egzogeninio laikotarpio pabaigoje ląstelės atitiktų jų palaikymo energijos poreikį endogeninio rezervo sąskaita.
Lengviau formuluoti matematinį modelį, pagrįstą pirmuoju hipoteziu, nors ši hipotezė nėra logiška. Matematinis modelis, paremtas antra hipoteze, būtų sudėtingas, nes jame turi būti terminų, atspindinčių tiek egzogeninius, tiek endogeninius procesus, ir kriterijus, kada endogeninio proceso terminas įgytų svarbą.
Nuolatinio nuotekų valymo procese į teršalus turintys teršalai (su maža ar beveik nulinė mikrobų populiacija) patenka į proceso įrangos dalį (bioreaktorių), kuriame jau yra daug įvairių rūšių mikrobų. Nuotėkis palieka bioreaktorių beveik išeikvojus biologiškai skaidžių teršalų. Nuotekų sudėtyje būtų daugiau mikrobų nei įsišaknijime.
Šis ląstelių skaičiaus padidėjimas atsiranda dėl teršalo masės biologiniame skaidyme. Degraduotos teršalų masės dalis naudojama naujų ląstelių atkūrimui, o kita dalis - ląstelių energijos poreikiui patenkinti. Labai sunku, jei neįmanoma, kiekybiškai įvertinti, kiek degradavusios teršalų masės yra panaudota ląstelių energijos poreikiui patenkinti. Bet kiekybinio koreliacinės ląstelių masės augimo greičio, teršalo masės išeikvojimo rodiklio plėtra yra labai įmanoma.
Iš nuotekų valymo perspektyvos būtų įdomu sukurti bendrą teršalo masės išeikvojimo greičio įtaką sraute, kad tą patį būtų galima naudoti projektuojant tinkamą proceso įrangą.
Ląstelių augimo kinetika:
Ląstelės dauginamos iš gyvybingų ląstelių dvejetainio dalijimosi. Taigi ląstelių (masės) augimo greitis (nesant plėšrūnų, ląstelių mirties ir ląstelių skilimo) partijos veikimo metu priklausytų nuo gyvybingų ląstelių koncentracijos bioreaktoriuje bet kuriuo laiko momentu. Jis gali būti išreikštas kaip:
kur, r G, X v = gyvybingų ląstelių (masės) bioreaktoriaus vieneto tūrio gamybos greitis,
[X V ] = gyvybingų ląstelių (masės) koncentracija bet kuriuo metu ir
µ = specifinis augimo greitis.
Specifinės mikrobų substrato derinio skaitinė vertė | i priklauso nuo substrato koncentracijos, mikroelementų koncentracijos, pH, temperatūros ir kt. Bioreaktoriuje.
Tyrėjai, remdamiesi eksperimentiniais bandymais kontroliuojamame pH, temperatūroje ir mikroelementų koncentracijoje, gavo bendrą koreliaciją µ kaip substrato koncentracijos funkciją [S], kaip parodyta Eq. (9.36)
Nustatyta, kad kiekvienos konkrečios mikrobų substrato sistemos pH ir temperatūros reikšmės priklauso nuo pH, temperatūros ir mikroelementų koncentracijos.
Lygtis (9.36) yra žinoma kaip Monodo lygtis. Jis panašus į formą kaip Michaelis-Menteno lygtis fermentinei reakcijai [Eq. (9.29)].
Eqs derinys. (9.35) ir (9.36) rezultatai atitinka Eq. (9.37)
Čia reikėtų pažymėti, kad nuotekų valymo įrenginyje būtų mišrių mikrobų ir įvairių teršalų (cheminių medžiagų) populiacija. Tokiam vienetui µ m ir K s negalima surinkti derinant specifinių mikrobų substratų sistemų literatūros duomenis. Kiekvienai atskirai situacijai turi būti atliktas eksperimentinis H m ir K s įvertinimas.
Biologinio nuotekų valymo metu esami mikroorganizmai naudoja anglies šaltinius (substratą, ty biologiškai skaidomus organinius junginius) reprodukcijai, taip pat siekiant patenkinti techninės priežiūros poreikius. Aerobinėmis sąlygomis energijos gamybos etapai sudarytų CO 2 ir H2O kaip galutinius produktus, o anaerobinėmis sąlygomis reakcijos produktai būtų daugiausia CO 2 ir CH 4 .
Kadangi substratai yra naudojami ląstelių masės augimui ir energijos gamybai, ląstelių augimo masės greitis būtų mažesnis nei substrato panaudojimo. Ryšys tarp šių dviejų yra paprastai išreiškiamas kaip
kur y yra vadinamas išeiga, ty gyvybingų ląstelių masė, pagaminta vienam panaudoto substrato vienetui. Kadangi nuotekų sraute visada yra nemažai organinių junginių (teršalų), įprasta išreikšti substrato koncentraciją [S] pagal BDS arba COD pagal O 2 / L vienetą, o ne pagal koncentraciją. atskirų teršalų.
Išeiga, y, turėtų maksimalią vertę, jei techninės priežiūros energija turi būti nulinė. Tokioje situacijoje y yra simbolis y g . Net jei išlaikymo energija būtų nulinė, jos vertė būtų mažesnė už vieną, nes biosintezės (augimo) procesui reikia energijos. Nustatyta, kad y reikšmė priklauso nuo naudojamo substrato, jo koncentracijos, naudojamo organizmo rūšies ir aplinkos veiksnių, tokių kaip temperatūra, pH ir kt.
Eksperimentiniai tyrimai parodė, kad y vertė yra apie 0, 5, kai nuotekos yra apdorojamos aerobiškai. Tačiau anaerobinio gydymo sąlygomis nustatyta, kad y vertė yra apie 0, 1
Sujungus Eqs. (9.35) ir (9.38) gaunamas Eq. (9.39),
Pažymėtina, kad biologinio proceso metu kelios gyvybingos ląstelės tampa „negyvos“, o kai kurios lizės (puvimas). Todėl grynųjų gyvybingų ląstelių augimo greitis gali būti išreikštas kaip:
Anksčiau buvo minėta, kad mikrobai, esantys bet kurioje sistemoje, yra dviejų tipų, ty „gyvybingi“ ir „negyvi“. Bendros ląstelių populiacijos (masės) koncentracija bet kuriuo momentu būtų kiekvienos rūšies koncentracijos suma tuo metu,
kur, [X] = bendros ląstelės masės koncentracija.
Bendrųjų ląstelių masės pokyčio greitį eksogeninio proceso metu galima gauti derinant Eqs. (9.40), (9.41) ir (9.42)
Biocheminės reakcijos iš esmės yra cheminės reakcijos, kurias katalizuoja (ekstra / intraceluliniai) fermentai. Todėl specifinės greičio konstantos, pvz., P, b ir y, priklauso nuo temperatūros. Jų skaitmeninės vertės didėja esant temperatūros padidėjimui. Jų temperatūros priklausomybę gali rodyti Arrhenius tipo santykis,
Tačiau dažnai santykis yra išreikštas empiriškai kaip
kur k 0 atitinka tam tikrą bazinę temperatūrą f 0, išreikštą ° C ir k atitinka darbo temperatūrą t ° C. Nustatyta, kad O reikšmė yra nuo 1, 03 iki 1, 1. Paprastai jis laikomas 1, 08.
Eksperimentiškai įvertintų kinetinių parametrų, µm, K s, ϒ ir b, skaitinės reikšmės priklauso nuo substrato ir organizmo derinio, taip pat maistinių medžiagų koncentracijos, pH ir temperatūros, išlaikytos konkrečiame tyrime.
Pastebėta, kad lengvai skaidomam substratui daugybinė µm vertė yra didelė, o substrato, kurį sunku sugadinti, vertė µ m yra maža. Ks skaitmeninė vertė yra nedidelė, jei substratas yra lengvai skaidomas, o substrato, kurį sunku suskaidyti, yra didelis. Kai kurios tipinės mišrios kultūros aerobinių nuotekų valymo kinetinių parametrų vertės išvardytos 9.6 lentelėje
Paprastai daroma prielaida, kad b v = b d .
Nustatyta, kad gyvybingas ląstelių masės augimo greitis tiek aerobiniams procesams, tiek anaerobiniams procesams atitinka Eq. (9.37). Eksperimentiniai duomenys rodo, kad anaerobiniams procesams μm yra mažesnis ir K s yra didesnis, palyginti su išvardytais aerobiniais procesais 9.6 lentelėje.
