Xử lý thứ cấp nước thải (Có sơ đồ)
Đọc bài viết này để tìm hiểu về xử lý thứ cấp của nước thải.
Điều trị thứ cấp còn được gọi là điều trị sinh học. Nó có khả năng làm giảm các chất hữu cơ hòa tan và / hoặc lơ lửng sinh học. Bằng cách xử lý thứ cấp, cũng có thể loại bỏ các hợp chất nitơ và phốt pho hòa tan ra khỏi dòng nước thải.
Các chất hữu cơ trải qua sự xuống cấp với sự hiện diện của vi sinh vật (vi khuẩn, có mặt khắp nơi) được gọi là các chất phân hủy sinh học. Các vi sinh vật sản xuất enzyme (các chất protein phức tạp) hoạt động như chất xúc tác cho các quá trình phân hủy sinh học. Các quá trình này xảy ra thông qua một loạt các phản ứng, được gọi là con đường sinh hóa.
Các phản ứng có thể diễn ra với sự có mặt của oxy hòa tan. Chúng được gọi là phản ứng hiếu khí (quá trình). Một số phản ứng diễn ra trong hoàn toàn không có oxy. Những người được gọi là quá trình kỵ khí / bắt buộc kỵ khí. Các phản ứng xảy ra trong điều kiện hiếu khí sẽ khác với các phản ứng trong điều kiện yếm khí.
Có một số vi khuẩn, có khả năng thực hiện các phản ứng sinh học cả trong điều kiện hiếu khí cũng như kỵ khí. Những vi khuẩn này được gọi là vi khuẩn tiềm tàng và các quá trình được gọi là vi khuẩn tiềm tàng.
Để xử lý sinh học nước thải có chứa các chất hữu cơ (hòa tan và / hoặc lơ lửng), một loạt các vi khuẩn được sử dụng và các điều kiện được duy trì có thể là hiếu khí hoặc kỵ khí. Để hiểu rõ hơn về các quá trình này, cần phải làm quen với các đặc điểm cơ bản của các loại vi khuẩn khác nhau, được thảo luận ngắn gọn dưới đây.
Nguyên tắc cơ bản của vi khuẩn:
Trước khi phát minh ra kính hiển vi, các sinh vật sống được phân thành hai nhóm, đó là thực vật và động vật. Thực vật là bất động, trong khi các động vật là động lực. Sau khi phát minh ra vi khuẩn / vi sinh vật hiển vi. Chúng có những đặc điểm cơ bản của sinh vật sống, đó là chúng có khả năng tự sinh sản, nhưng về mặt cấu trúc, chúng khác với các loài thực vật và động vật vĩ mô. Các sinh vật cực nhỏ được gọi là người bảo vệ.
Các bảo vệ có cấu trúc tương đối đơn giản. Chúng có thể là đơn bào hoặc đa bào. Ngay cả trong các tế bào đa tế bào, các tế bào không khác nhau bên trong và những tế bào không được tổ chức như các mô. Thực vật và động vật có mô, thực hiện các chức năng khác nhau. Phân loại Protist được đưa ra trong Bảng 9.3.
Hình 9.19A và 9.19B cho thấy cấu trúc điển hình của tế bào prokaryote và eukaryote.
Bên cạnh các chất bảo vệ còn có một số hạt khả thi siêu nhỏ được gọi là virus. Chúng chỉ được nhìn thấy dưới kính hiển vi điện tử. Kích thước của chúng dao động trong khoảng 0, 02-0, 08 chiều. Về cơ bản, chúng là DNA hoặc RNA được bao quanh bởi vỏ protein. Họ không có khả năng tự sinh sản. Chúng lây nhiễm các tế bào chủ và khiến chúng tự nhân lên và do đó tạo ra nhiều virus hơn.
Sinh vật nhân sơ:
Prokaryote là đơn bào và thường có đường kính nhỏ hơn 5 μm. Chúng có cấu trúc rất đơn giản và được giới hạn bởi một màng. Hầu hết trong số họ có thành tế bào cứng nhắc. Bên trong một tế bào có nhân và tế bào chất. Nhân không được tách ra khỏi tế bào chất bằng màng. Các enzyme tham gia hô hấp và phản ứng quang hợp nằm trong màng tế bào hoặc trong quá trình gấp của nó. Prokaryote không phải là thực bào, tức là chúng không thể ăn thức ăn.
Chúng tiết ra các enzyme thủy phân ngoài tế bào, chúng thủy phân các hạt hữu cơ lơ lửng và hòa tan các phân tử hữu cơ lớn thành các phân tử nhỏ hơn. Chúng thủy phân các phân tử nhỏ hơn sau đó xâm nhập vào các tế bào theo nhiều cơ chế khác nhau. Các prokaryote thường di chuyển với sự trợ giúp của Flagella, đó là fibril xoắn ốc nhô ra qua màng tế bào, Về cơ bản, có hai nhóm prokaryote, đó là tảo vi khuẩn và xanh lục.
Vi khuẩn:
Vi khuẩn là đơn bào. Kích thước của chúng nằm trong khoảng từ 0, 2 đến 2 pha. Chúng được phân thành ba nhóm: myxobacteria, spirochetes và eubacteria. Tùy thuộc vào hình dạng của chúng, chúng được gọi là cocci (hình cầu), trực khuẩn (hình que) và tảo xoắn (xoắn ốc).
Myxobacteria có hình que, có thành mỏng mỏng. Họ di chuyển bằng hành động lướt. Họ có được thức ăn bằng cách tách (làm lạnh) các sinh vật khác, chẳng hạn như vi khuẩn, nấm, tảo, v.v ... Spirochetes có hình dạng helicoidal, có những bức tường linh hoạt mỏng manh. Có tương đối dài so với chiều rộng của họ. Chúng sống trong bùn và nước và kị khí. Một số là ký sinh trùng.
Vi khuẩn:
Vi khuẩn, trừ myxobacteria và spirochetes, được nhóm lại thành vi khuẩn eubacteria. Hình dạng của chúng có thể là hình que giống như hình cầu hoặc xoắn ốc. Một số trong số họ có Flagella và là động lực, trong khi những người khác là bất động. Họ đã được phân loại theo đặc điểm trao đổi chất và năng lượng của họ. Nói chung, chúng là đơn bào, nhưng một số dạng tổng hợp, trong khi một số khác là dạng sợi.
Tảo xanh:
Chúng có thể đơn bào hoặc đa bào. Chúng nhân lên bởi phân hạch nhị phân. Đa bào là các sợi của các tế bào giống hệt nhau được giữ bởi một bức tường bên ngoài chung. Một phần ngắn của dây tóc chứa một vài tế bào được giải phóng và dây tóc được giải phóng phát triển bằng cách phân chia nhị phân của các tế bào trong một mặt phẳng.
Các sợi đơn bào là bất động trong khi các sợi đa tế bào có thể lướt qua. Tảo xanh lam là quang hợp. Màu sắc của chúng nói chung là màu xanh lam. Một số loài có màu đỏ, tím, nâu và đen. Một số loài có thể cố định nitơ khí quyển.
Sinh vật nhân chuẩn:
Sinh vật nhân chuẩn có cấu trúc phức tạp hơn sinh vật nhân sơ. Đường kính của họ là hơn 20 giờ chiều. Mỗi tế bào có một số bào quan, chẳng hạn như nhân, ty thể, mạng lưới nội chất, bộ máy Golgi, không bào, lysome, ribosome, lục lạp, v.v ... Mỗi loại này có một chức năng cụ thể. Mỗi tế bào có một màng tế bào bên ngoài. Một số có thành tế bào. Các bào quan bên trong được giới hạn bởi màng.
Các tế bào nhân chuẩn không có thành tế bào biểu hiện sự di chuyển của amip do sự di chuyển của tế bào chất, được gọi là dòng tế bào chất. Những người có thành tế bào di chuyển với sự giúp đỡ của Flagella. Sinh vật nhân chuẩn đã được phân thành ba nhóm, đó là tảo, động vật nguyên sinh và nấm.
Tảo sinh vật nhân chuẩn :
Đây có thể là đơn bào hoặc đa bào. Trong đa bào, các tế bào không khác nhau. Chúng là quang hợp, một số có thành tế bào và do đó chúng là thẩm thấu. Những người không có thành tế bào ăn các sinh vật nhỏ hơn thực vật. Chúng có thể phát triển trong môi trường vô cơ. Đây không phải là quan trọng trong xử lý nước thải.
Tuy nhiên, chúng cộng sinh giúp vi khuẩn khi chúng tạo ra oxy trong quá trình quang hợp. Sự tăng sinh của tảo với sự có mặt của các chất dinh dưỡng vô cơ gây ra vấn đề trong quá trình lọc khi thời gian chạy giảm. Có sáu nhóm tảo sinh vật nhân chuẩn, hầu hết trong số chúng có vi khuẩn Flagella, ngoại lệ là tảo đỏ. Chúng khác với các loại khác về màu sắc lục lạp, thành phần thành tế bào và thành phần thực phẩm dự trữ.
Động vật nguyên sinh:
Đây là những đơn bào, không quang hợp và động lực. Một số là ký sinh trùng và số khác là phagotrophic. Đa số là hiếu khí và một số ít là kỵ khí. Những người thực bào ăn các sinh vật nhỏ hơn và các chất hữu cơ. Các nhóm suctoria con mồi trên động vật nguyên sinh. Họ giúp trong quá trình keo tụ sinh học.
Các động vật nguyên sinh đã được nhóm thành năm nhóm chính: Mastigophora, Sarcodina, Sporozoa, Ciliate và Suctoria. Mastigophora có Flagella. Nói chung chúng là ký sinh trùng. Một số là gây bệnh, một số thì không.
Sarcodina:
Phương thức di chuyển chính của nhóm này là chuyển động kiểu amip với sự trợ giúp của giả hành. Một số có Flagella. Một số là phagocitic, trong khi một số là ký sinh trùng. Amip gây bệnh lỵ amip ở người thuộc nhóm này. Sporozoa là ký sinh trùng thẩm thấu. Một số là bất động, trong khi những người khác di chuyển bằng hành động lướt. Họ không có vai trò trong xử lý nước thải. Chúng là mầm bệnh.
Ciliate:
Nhóm này rất quan trọng trong xử lý nước thải. Họ là phagotropic. Họ có mái tóc ngắn như chiếu (Cilia). Với sự giúp đỡ của Cilia, họ di chuyển và bắt giữ thức ăn. Có hai nhóm nhỏ, một loại bơi tự do và loại khác rình rập.
Suctoria:
Họ sở hữu Cilia ở giai đoạn đầu của vòng đời. Sau này họ phát triển các xúc tu. Với sự giúp đỡ của các xúc tu, chúng làm mồi cho các động vật nguyên sinh khác.
Nấm:
Nấm chủ yếu là đa nhân và có cấu trúc được gọi là sợi nấm. Phần lớn trong số chúng là hiếu khí, trong khi một số là kỵ khí. Chúng sống trên tất cả các loại chất hữu cơ, ngay cả trên dư lượng hữu cơ bị thoái hóa vi khuẩn. Các nhóm chính là: Phycomycetes, Ascomycota's, Basidioniycetes và Fungi Phong không hoàn hảo. Nấm men là nấm đơn bào. Nấm sinh sản bằng cách nảy chồi hoặc phân hạch nhị phân. Họ có một số ứng dụng công nghiệp.
Nói chung nấm không được sử dụng trong xử lý nước thải. Khác với những người bảo vệ một số động vật hiếu khí đa bào nhỏ dị dưỡng được gọi là Công cụ quay vòng có thể có mặt trong các đơn vị xử lý nước thải hiếu khí. Họ có hai bộ Cilia xoay trên đầu. Chúng được sử dụng cho sự linh hoạt cũng như để chụp thực phẩm.
Tương tác vi sinh vật trong xử lý nước thải:
Đối với xử lý nước thải hầu như luôn luôn là một cộng đồng vi sinh vật có nhiều loài sinh vật tìm đường đến một đơn vị xử lý. Những sinh vật này có thể xâm nhập vào một đơn vị xử lý từ môi trường xung quanh cũng như cùng với nước thải. Rất thường một phần sinh khối (vi khuẩn) được tạo ra trong quá trình xử lý nước thải được tái chế đến đơn vị xử lý. Để loại bỏ một chất gây ô nhiễm được chỉ định đôi khi một số sinh vật cụ thể được thêm vào.
Nước thải luôn luôn chứa các hóa chất (chất gây ô nhiễm) và vì sự giảm bớt của chúng, sự hiện diện của các loại vi khuẩn khác nhau rất hữu ích và đôi khi rất cần thiết. Những sinh vật này tương tác với nhau trong quá trình.
Quần thể của từng loài vi khuẩn có thể trải qua sự thay đổi với sự thay đổi về chất và lượng của các đặc điểm của dòng nước thải chảy vào một đơn vị xử lý, nhưng hệ thống có thể có sự ổn định tổng thể nếu có phổ rộng các vi khuẩn trong hệ thống.
Tuy nhiên, nếu cộng đồng bị hạn chế, nghĩa là, một số loài được chọn sẽ được sử dụng trong tình huống hạt, hệ thống có thể dễ dàng bị đảo lộn do thay đổi sốc trong dòng chảy / đặc điểm của dòng nước thải đang được xử lý. Sự tương tác giữa các loài vi khuẩn khác nhau có trong hệ thống xử lý nước thải có thể thuộc các loại sau: trung tính, nhân từ và đối kháng.
Tương tác trung tính:
Khi các loài có mặt trong một hệ sinh thái không sử dụng cùng chất nền (thực phẩm) thì yêu cầu môi trường của chúng là khác nhau và chúng không sử dụng các sản phẩm trao đổi chất và sản phẩm phụ của nhau thì tương tác được cho là trung tính. Trong một cộng đồng vi sinh vật trong bất kỳ hệ sinh thái nào, sự tương tác như vậy là rất hiếm.
Tương tác nhân từ:
Trong một hệ sinh thái đôi khi một sinh vật giúp một sinh vật khác trong hoạt động trao đổi chất của nó hoặc trong việc duy trì các yêu cầu môi trường và chúng không gây hại cho nhau. Tương tác như vậy giữa các sinh vật được gọi là tương tác nhân từ.
Có hai loại tương tác nhân từ, đó là Chủ nghĩa tương giao và Chủ nghĩa tương hỗ. Đôi khi các sản phẩm trao đổi chất hoặc sản phẩm phụ của một sinh vật được sử dụng bởi một sinh vật khác. Tương tác như vậy giữa hai loài được gọi là tương tác commensalism.
Ví dụ về các tương tác đó là:
(1) Glucose hoặc một yếu tố tăng trưởng được tạo ra bởi một sinh vật đang được sử dụng bởi các sinh vật khác
(2) Phenol (độc đối với một số sinh vật) được tiêu thụ bởi một sinh vật trong một hệ sinh thái để các sinh vật khác có trong hệ thống có thể không bị tổn hại.
Khi các sinh vật có mặt trong một hệ sinh thái giúp đỡ lẫn nhau thì sự tương tác được gọi là sự tương hỗ. Một ví dụ là sự tương tác giữa tảo và vi khuẩn trong một đơn vị xử lý hiếu khí. Tảo trong quá trình quang hợp tạo ra O 2, giúp vi khuẩn hiếu khí trong hoạt động trao đổi chất của chúng. Vi khuẩn sản xuất CO 2 trong quá trình hô hấp giúp tảo quang hợp.
Tương tác đối kháng:
Đôi khi một loại sinh vật cạnh tranh với một loại tài nguyên khác hoặc cùng một loại ngăn cản sự phát triển của loại khác hoặc có mối quan hệ giữa động vật ăn thịt giữa hai loại sinh vật. Trong những tình huống như vậy, sự tương tác giữa các loài được cho là đối kháng.
Một số ví dụ về loại tương tác đối kháng là:
(1) Vi khuẩn hiếu khí bắt buộc và bắt buộc ganh đua để hòa tan oxy,
(2) Tảo sản xuất O 2 trong quá trình quang hợp và do đó ngăn chặn sự phát triển của kị khí bắt buộc và
(3) Động vật nguyên sinh săn mồi vi khuẩn.
Sinh lý học vi khuẩn:
Các tế bào vi sinh vật chứa khoảng 80 phần trăm nước. Phần còn lại được tạo thành từ C, O 2, H 2, N 2, P và S. Các kim loại như Na, K, Ca, Mg, Fe cũng có trong các tế bào vi sinh vật. Các thành phần C, O 2, H 2 và N 2 của một tế bào thường được tính gần đúng (trên cơ sở không có tro) theo công thức C 5 H 7 O 2 N. Để tổng hợp (sinh sản) các vi khuẩn mới khác với H 2 và O 2 (có thể thu được từ nước) các yếu tố chính cần có là C và N 2 .
Một lượng tương đối nhỏ P và S là bắt buộc và một lượng rất nhỏ các kim loại được liệt kê ở trên cũng cần thiết. Các vi khuẩn có được các thành phần khác nhau để sinh sản từ môi trường của chúng (hệ sinh thái). Các vi khuẩn cũng cần năng lượng cho sự di chuyển của chúng cũng như để thực hiện các hoạt động trao đổi chất (dị hóa và đồng hóa) của chúng.
Các nguồn của các thành phần có tên nêu trên cần thiết cho sự sinh sản của vi khuẩn trong hệ thống xử lý nước thải là:
N 2 Nguồn:
Để tổng hợp protein và axit nucleic, các hợp chất mang nitơ sẽ được thêm vào đơn vị xử lý nước thải nếu chúng không có trong thành phần của các chất ô nhiễm.
O 2 nguồn:
Autotrophs sử dụng CO 2 và H 2 O làm nguồn của O 2 . Heterotrophs sử dụng các hợp chất hữu cơ mang oxy và H 2 O.
Nguồn C:
Autotrophs sử dụng CO 2 làm nguồn carbon trong khi đó, heterotrophs sử dụng các hợp chất hữu cơ làm nguồn carbon.
Nguồn S:
Lưu huỳnh cần thiết cho quá trình tổng hợp protein thu được từ các hợp chất mang lưu huỳnh thường có trong nước thải.
Nguồn P:
Phốt pho cần thiết cho quá trình tổng hợp axit nucleic và phospholipid thu được từ phốt phát vô cơ và các hợp chất photpho hữu cơ thường có trong nước thải. Để truyền năng lượng cho sự di chuyển cũng như cho các hoạt động chuyển hóa các hợp chất hữu cơ ATP (Adenosine triphosphate), ADP (Adenosine di-phosphate) và AMP (Adenosine monophosphate) là bắt buộc. Chúng được tổng hợp bởi các vi khuẩn sử dụng phốt pho (vô cơ / hữu cơ) có trong nước thải.
Việc phân loại vi khuẩn dựa trên đặc điểm trao đổi chất và năng lượng của chúng được liệt kê trong Bảng 9.4.
Từ Bảng 9.4, rõ ràng là hóa trị liệu hữu ích nhất cho việc xử lý nước thải có chứa các chất hữu cơ. Các quang tự động được sử dụng khi chúng làm giàu nước thải bằng oxy hòa tan, được tạo ra trong quá trình quang hợp.
Các tiêu chí sau đây được sử dụng để phân loại hóa trị liệu:
1. Quá trình họ đáp ứng nhu cầu năng lượng của họ,
2. Phạm vi nhiệt độ trong đó họ hoạt động nhiều hơn.
Hóa trị liệu sử dụng O 2 hòa tan để oxy hóa các hợp chất hữu cơ để tạo ra năng lượng được gọi là aerobes. Những chất tạo ra năng lượng bằng cách phân hủy các hợp chất hữu cơ (quá trình lên men) khi không có O 2 hòa tan được gọi là anaerobes. Có một nhóm thứ ba, hoạt động trên không với sự hiện diện của oxy hòa tan và yếm khí trong trường hợp không có oxy hòa tan. Nhóm này được gọi là vi khuẩn khoa. Phân loại hóa trị dị hóa theo phạm vi nhiệt độ mà chúng hoạt động mạnh hơn được đưa ra trong Bảng 9.5.
Các phản ứng trao đổi chất và năng lượng, được thực hiện bởi hóa trị dị hóa được nhóm lại thành lộ trình Catabolic, tuyến lưỡng cư, tuyến Anaplerotic và tuyến Anabolic. Thông qua các bước này, các sinh vật có được năng lượng của chúng và tổng hợp các hợp chất như axit nucleic, protein, polysacarit, lipit, ... và cuối cùng tạo ra các tế bào vi khuẩn mới. Các hoạt động cụ thể được thực hiện dọc theo các tuyến đường nêu trên được tóm tắt dưới đây.
Lộ trình dị hóa:
Nói chung các hoạt động dị hóa được thực hiện trong hai giai đoạn. Trong giai đoạn đầu tiên, chất hữu cơ lơ lửng có trong nước thải được hòa tan và các phân tử hữu cơ hòa tan lớn hơn được thủy phân (phun ra) thành các phân tử nhỏ hơn. Enzyme ngoài tế bào tham gia vào các phản ứng này. Lượng năng lượng tương đối nhỏ được giải phóng trong bước này không có sẵn cho các tế bào (vi khuẩn) vì các phản ứng xảy ra bên ngoài các tế bào. .
Trong giai đoạn thứ hai của quá trình dị hóa, các phân tử hữu cơ nhỏ hơn đã tạo ra sự khuếch tán bên trong các tế bào. Tiếp tục phân tách các phân tử khuếch tán cũng như một số phản ứng oxy hóa diễn ra. Năng lượng được giải phóng trong bước này có sẵn cho các tế bào.
Tuyến lưỡng cư:
Nguyên liệu ban đầu cho các phản ứng này là các vật liệu (phân tử) được tạo ra trong giai đoạn thứ hai của quá trình dị hóa. Do các phản ứng lưỡng tính, một số hợp chất trung gian được tạo ra để sinh tổng hợp và một số phản ứng oxy hóa cũng diễn ra.
Trong quá trình hiếu khí, sản phẩm cuối cùng của phản ứng oxy hóa là CO 2 và H 2 O. Sản phẩm của quá trình oxy hóa trong quá trình kỵ khí là CO 2 và một số phân tử hữu cơ khác (không phải là thành phần cho quá trình sinh tổng hợp). Chúng được gọi là các sản phẩm lên men.
Tuyến anaplerotic:
Các chất trung gian được tạo ra trong quá trình lưỡng cư không đủ để đáp ứng tổng nhu cầu cho các quá trình sinh tổng hợp. Do đó một số trung gian được sản xuất bởi tuyến đường này.
Lộ trình đồng hóa:
Trong quá trình này, các chất trung gian được tạo ra bởi tuyến lưỡng cư và tuyến anapler sau đó được trùng hợp và cuối cùng các thành phần khác nhau của các tế bào được tạo ra. Cuối cùng, nó dẫn đến việc sản xuất các tế bào mới. Cần phải đề cập ở đây rằng tất cả các hoạt động (phản ứng hóa học) xảy ra bên trong một tế bào là enzyme (hợp chất protein phức tạp) được xúc tác.
Động học Enzymatic:
Tất cả các phản ứng hóa học diễn ra bên trong các tế bào của vi sinh vật (nội bào) hoặc ngay lập tức - bên ngoài các tế bào (ngoài tế bào) đều được xúc tác enzyme. Enzyme là phản ứng đặc hiệu, nghĩa là, mỗi enzyme có khả năng thực hiện một phản ứng cụ thể sử dụng một chất nền cụ thể (chất phản ứng).
Giống như các chất xúc tác vô cơ, các enzyme có thể bị nhiễm độc (bị ức chế) bởi một số hóa chất. Enzyme cũng bị ảnh hưởng ở nhiệt độ cao hơn và điều kiện pH bất lợi, có thể là do một số thay đổi cấu trúc xảy ra trong chúng.
Động học của các phản ứng enzyme đã được nghiên cứu bởi một số nhà khoa học. Họ đã phát triển các phương trình tỷ lệ dựa trên các mô hình đề xuất của họ. Một số trong số này được thảo luận dưới đây. Phương trình cơ bản được gọi là phương trình Michaelis-Menten.
Phản ứng enzyme trong trường hợp không có bất kỳ chất ức chế được giả định xảy ra thông qua hai bước. Trong bước đầu tiên, một phân tử cơ chất (chất phản ứng) (S) kết hợp với một phân tử enzyme (E) để tạo thành một phức hợp enzyme - cơ chất (ES). Phản ứng này được coi là một phản ứng thuận nghịch. Trong bước thứ hai, phức hợp (ES) trải qua một phản ứng không thể đảo ngược, theo đó phân tử enzyme được giải phóng và một hoặc nhiều sản phẩm được hình thành. Quá trình tổng thể có thể được trình bày dưới dạng
Để mô hình hóa phản ứng hình thành phức chất enzyme - cơ chất, hai giả thuyết đã được đề xuất. Theo một giả thuyết, phản ứng này đạt được trạng thái cân bằng tức thời. Theo phản ứng khác, phản ứng này đạt đến trạng thái 'giả-ổn định' ngay lập tức, nghĩa là tốc độ hình thành phức hợp ES trở nên giống như tốc độ biến mất của phức bởi phản ứng ngược. Phương trình cuối cùng được phát triển cho tốc độ biến mất của chất nền / tốc độ hình thành sản phẩm là giống hệt nhau bất kể giả thuyết đã đề cập ở trên được chấp nhận.
Phương trình (9.29) được gọi là phương trình Michaelis-Menen. Để đánh giá các hằng số động học (K m và cho một phản ứng cụ thể, nồng độ cơ chất, [5] so với thời gian, dữ liệu t được thu thập bằng thực nghiệm. Dữ liệu thu được có thể được vẽ theo nhiều cách khác nhau (như trong Hình 9.20A, B, C & D) để ước tính K m và V m . Các hình 9.20A, B, C & D dựa trên các dạng sửa đổi của phương trình Michaelis-Menten.
Phản ứng ức chế:
Phản ứng enzyme có thể bị ức chế (chậm phát triển) theo nhiều cách khác nhau. Các chất ức chế có thể là một số hóa chất (I) khác với chất nền, chất nền (ở nồng độ cao) và sản phẩm (ở nồng độ cao). Các phản ứng ức chế đã được gọi khác nhau là 'Ức chế cạnh tranh', 'Ức chế không cạnh tranh', 'Ức chế không cạnh tranh', 'Ức chế tiểu bang' và 'Ức chế sản phẩm'.
Biểu diễn tượng trưng của các loại phản ứng ức chế khác nhau và biểu thức tỷ lệ tương ứng của chúng như sau:
Ức chế cạnh tranh:
trong đó [I] = nồng độ chất ức chế,
K 1 = hằng số cân bằng cho phản ứng phân ly EI.
Ức chế không cạnh tranh:
Ức chế không cạnh tranh:
Ức chế chất nền:
Ức chế sản phẩm:
Trong đó K p = hằng số cân bằng cho phản ứng phân ly PES. Cần chỉ ra ở đây rằng các mô hình và phương trình tốc độ được đề cập ở trên dựa trên tiền đề rằng sự ức chế xảy ra do không có sẵn một số phân tử enzyme cho phản ứng hình thành phức chất enzyme vì một số phản ứng thứ cấp.
Quá trình tăng trưởng của vi sinh vật:
Vi khuẩn cần carbon, oxy, hydro, nitơ và một số yếu tố khác để tổng hợp các thành phần tế bào, cuối cùng dẫn đến sự sinh sản của các tế bào mới. Các sinh vật cần năng lượng để thực hiện các phản ứng tổng hợp và để duy trì các hoạt động khác ngoài sinh sản.
Nhu cầu năng lượng bảo trì có nghĩa là năng lượng cần thiết để thực hiện các chức năng của tế bào, chẳng hạn như vận động, thẩm thấu, thực bào, truyền tế bào chất, v.v. Năng lượng bảo trì cũng bao gồm năng lượng cần thiết để tổng hợp một số thành phần tế bào, cần thiết để thay thế các thành phần bị hỏng. Một số thành phần tế bào bị phá vỡ vì năng lượng tự do của chúng cao hơn so với các khối xây dựng ban đầu mà chúng được tổng hợp.
Khi hỗn hợp các chất hữu cơ được điều chế đặc biệt (gọi là môi trường) được tiêm (như xảy ra trong một hoạt động theo đợt) với một số loài sinh vật, thì quần thể vi khuẩn trong hỗn hợp đó sẽ trải qua một quá trình tăng trưởng điển hình như trong Hình 9.21 . Chất hữu cơ có trong môi trường, đóng vai trò là nguồn carbon cho vi khuẩn, được gọi là chất nền.
Cần phải chỉ ra ở đây rằng tổng số vi khuẩn có mặt trong một hệ sinh thái bất cứ lúc nào được tạo thành từ hai nhóm, đó là "sinh vật sống" và "sinh vật chết". Các sinh vật khả thi là những sinh vật có khả năng sinh sản trong khi những sinh vật 'chết' đang sống nhưng không có khả năng sinh sản. Họ sử dụng năng lượng để thực hiện tất cả các loại hoạt động ngoại trừ sinh sản.
Hình 9.21 cho thấy tốc độ gia tăng dân số vi khuẩn trong một hoạt động hàng loạt trải qua các giai đoạn khác nhau. Chúng thường được gọi là Giai đoạn I, II, III và IV.
Giai đoạn I được gọi là "giai đoạn trễ". Trong giai đoạn này, quần thể (của các tế bào khả thi) tăng chậm khi các sinh vật mất thời gian để thích nghi với môi trường của nó.
Giai đoạn II được gọi là "giai đoạn đăng nhập" vì trong giai đoạn này, dân số tăng theo cấp số nhân sử dụng chất nền có sẵn trong môi trường.
Giai đoạn III được gọi là "giai đoạn đứng yên". Trong giai đoạn này, dân số của các tế bào khả thi vẫn gần như tĩnh do không có đủ chất nền. Tốc độ sản xuất các tế bào mới trong giai đoạn này gần giống như tốc độ chuyển đổi các tế bào khả thi thành các tế bào chết. Trong giai đoạn này, chất nền có sẵn chủ yếu được sử dụng để đáp ứng nhu cầu năng lượng bảo trì của các tế bào.
Giai đoạn IV được gọi là "giai đoạn phân rã". Không có chất nền có sẵn trong giai đoạn này. Các tế bào chuyển hóa thức ăn được lưu trữ của chúng để đáp ứng nhu cầu năng lượng bảo trì của chúng. Dần dần một số tế bào trải qua quá trình ly giải, nghĩa là phân rã và từ đó cung cấp các chất hữu cơ cho tế bào còn lại để đáp ứng nhu cầu năng lượng duy trì của chúng. Lysis dẫn đến giảm dân số tế bào, được gọi là tế bào 'phân rã'
Trong giai đoạn I đến III, chất nền có sẵn trong môi trường đáp ứng nhu cầu năng lượng tăng trưởng và duy trì của sinh vật. Thời kỳ này được gọi là thời kỳ ngoại sinh. Trong giai đoạn IV, trong trường hợp không có bất kỳ chất nền nào, các tế bào sẽ chuyển hóa thức ăn được lưu trữ của chúng cũng như các chất được giải phóng do sự phân giải của một số tế bào. Thời kỳ này được gọi là thời kỳ nội sinh.
Nó đã được đề cập trước đó rằng hóa trị liệu đóng vai trò chính trong xử lý sinh học nước thải. Họ sử dụng chất nền (chất ô nhiễm) có trong nước thải để đáp ứng vật liệu của họ (để sinh tổng hợp) và nhu cầu năng lượng. Hai giả thuyết thay thế đã được đưa ra để giải thích làm thế nào vi khuẩn đạt được điều này.
Theo một giả thuyết, các tế bào tổng hợp các bào quan của chúng và dự trữ nội sinh (thực phẩm) sử dụng chất nền. Tuần tự một phần của dự trữ nội sinh bị suy thoái để đáp ứng nhu cầu năng lượng duy trì của các tế bào.
Theo chất nền giả thuyết khác được sử dụng để đáp ứng yêu cầu tổng hợp cũng như để đáp ứng nhu cầu năng lượng bảo trì đồng thời. Về mặt khái niệm và logic, giả thuyết này là thực tế hơn. Cần phải chỉ ra ở đây rằng theo giả thuyết này vào cuối thời kỳ ngoại sinh, các tế bào sẽ đáp ứng nhu cầu năng lượng duy trì của chúng với chi phí dự trữ nội sinh.
Dễ dàng hơn để xây dựng một mô hình toán học dựa trên giả thuyết đầu tiên mặc dù giả thuyết này không phải là một logic. Một mô hình toán học dựa trên giả thuyết thứ hai sẽ là một mô hình phức tạp, vì nó phải chứa các thuật ngữ để biểu thị cả quá trình ngoại sinh và quá trình nội sinh và các tiêu chí khi thuật ngữ quá trình nội sinh sẽ đạt được tầm quan trọng.
Trong quy trình xử lý nước thải liên tục, một chất gây ô nhiễm có chứa chất gây ô nhiễm (với số lượng vi khuẩn thấp hoặc gần như không) xâm nhập vào một thiết bị xử lý (lò phản ứng sinh học) đã chứa một lượng lớn vi khuẩn thuộc các loài khác nhau. Một chất thải làm cho lò phản ứng sinh học gần như cạn kiệt các chất ô nhiễm phân hủy sinh học. Nước thải sẽ chứa số lượng vi khuẩn lớn hơn so với nước thải.
Sự gia tăng số lượng tế bào này là kết quả của sự phân hủy sinh học của khối chất ô nhiễm có trong chất ảnh hưởng. Một phần khối lượng chất ô nhiễm bị phân hủy được sử dụng để tái tạo các tế bào mới trong khi phần còn lại đáp ứng nhu cầu năng lượng của các tế bào. Rất khó, nếu không thể định lượng được bao nhiêu khối lượng chất ô nhiễm đã bị phân hủy được sử dụng để đáp ứng nhu cầu năng lượng của các tế bào. Nhưng sự phát triển của một mối tương quan định lượng của tốc độ tăng trưởng khối lượng tế bào, tốc độ suy giảm khối lượng chất ô nhiễm là rất nhiều có thể.
Từ quan điểm xử lý nước thải, người ta sẽ quan tâm đến việc phát triển một biểu thức cho tỷ lệ suy giảm tổng khối lượng chất ô nhiễm trong dòng ảnh hưởng để có thể sử dụng tương tự để thiết kế một thiết bị xử lý phù hợp.
Động học tăng trưởng tế bào:
Các tế bào nhân lên bởi sự phân hạch nhị phân của các tế bào khả thi. Do đó, tốc độ tăng trưởng tế bào (khối lượng) (trong trường hợp không có động vật ăn thịt, chết tế bào và phân hủy tế bào) trong một hoạt động hàng loạt sẽ phụ thuộc vào nồng độ của các tế bào khả thi trong lò phản ứng sinh học bất cứ lúc nào. Nó có thể được thể hiện như là
Trong đó, r G, X v = tốc độ sản xuất các tế bào khả thi (khối lượng) trên một đơn vị thể tích của lò phản ứng sinh học,
[X V ] = nồng độ của các tế bào khả thi (khối lượng) bất cứ lúc nào và
Xô = tốc độ tăng trưởng cụ thể không đổi.
Giá trị bằng số của | i đối với tổ hợp vi khuẩn - cơ chất cụ thể phụ thuộc vào nồng độ cơ chất, nồng độ vi chất dinh dưỡng, pH, nhiệt độ, v.v., trong lò phản ứng sinh học.
Các nhà điều tra, dựa trên các thử nghiệm thử nghiệm của họ ở pH, nhiệt độ và nồng độ vi chất được kiểm soát đã thu được mối tương quan chung đối với Patrick như là một hàm của nồng độ cơ chất [S] như trong biểu thức. (9.36)
Các giá trị bằng số của m m và K đã được tìm thấy phụ thuộc vào pH, nhiệt độ và nồng độ vi chất đối với bất kỳ hệ thống vi khuẩn cụ thể nào.
Phương trình (9.36) được gọi là phương trình Monod. Nó tương tự như phương trình của Michaelis Thời Menten cho phản ứng enzyme [Eq. (9.29)].
Kết hợp các phương trình. (9.35) và (9.36), kết quả trong phương trình. (9.37)
Ở đây cần chỉ ra rằng trong một đơn vị xử lý nước thải, một quần thể vi khuẩn và nhiều chất ô nhiễm (hóa chất) sẽ xuất hiện. Đối với một đơn vị như vậy, m và K s không thể được biên dịch bằng cách kết hợp dữ liệu từ tài liệu cho các hệ thống vi khuẩn cụ thể. Đối với mỗi tình huống riêng lẻ, H m và K s phải được đánh giá bằng thực nghiệm.
Trong quá trình xử lý sinh học nước thải, các vi khuẩn có mặt sử dụng các nguồn carbon (chất nền, tức là các hợp chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học) để sinh sản cũng như đáp ứng nhu cầu năng lượng bảo trì. Trong điều kiện hiếu khí, các bước tạo năng lượng sẽ tạo ra CO 2 và H 2 O làm sản phẩm cuối cùng, trong khi ở điều kiện yếm khí, các sản phẩm phản ứng sẽ chủ yếu là CO 2 và CH 4 .
Vì các chất nền được sử dụng để tăng trưởng khối lượng tế bào cũng như để tạo ra năng lượng, tốc độ tăng trưởng khối lượng tế bào sẽ thấp hơn so với việc sử dụng chất nền. Mối quan hệ giữa hai thường được biểu thị là
trong đó y được gọi là sản lượng, nghĩa là khối lượng của các tế bào khả thi được sản xuất trên một đơn vị khối lượng chất nền được sử dụng. Do dòng nước thải luôn luôn chứa một số hợp chất hữu cơ (chất gây ô nhiễm), theo thông lệ, biểu thị nồng độ cơ chất, [S], theo đơn vị BOD hoặc COD tính theo đơn vị mg O 2 / L và không tính theo nồng độ các chất ô nhiễm cá nhân có mặt.
Năng suất, y, sẽ có giá trị tối đa nếu năng lượng bảo trì cần bằng không. Trong tình huống như vậy y được biểu thị bằng ký hiệu y g . Ngay cả khi năng lượng bảo trì là nil y g sẽ có giá trị nhỏ hơn một vì quá trình sinh tổng hợp (tăng trưởng) cần năng lượng. Giá trị bằng số của y đã được tìm thấy phụ thuộc vào chất nền được sử dụng, nồng độ của nó, loài sinh vật được sử dụng và các yếu tố môi trường như nhiệt độ, pH, v.v.
Các nghiên cứu thực nghiệm đã tiết lộ rằng giá trị bằng số của y là khoảng 0, 5 khi nước thải được xử lý trên không. Nhưng trong điều kiện xử lý kỵ khí, giá trị của y đã được tìm thấy là khoảng 0, 1
Về việc kết hợp các phương trình. (9.35) và (9.38) người ta có được phương trình. (9.39),
Cần lưu ý rằng trong quá trình sinh học, một số tế bào khả thi trở nên 'chết' và một số trải qua quá trình ly giải (phân rã). Do đó, tốc độ tăng trưởng ròng của các tế bào khả thi có thể được biểu thị bằng cách
Nó đã được đề cập trước đó rằng các vi khuẩn có mặt trong bất kỳ hệ thống nào có hai loại, đó là 'khả thi' và 'chết'. Nồng độ của tổng quần thể tế bào (khối lượng) tại bất kỳ thời điểm nào sẽ là tổng nồng độ của từng loại tại thời điểm đó,
trong đó, [X] = nồng độ tổng khối lượng tế bào.
Một biểu thức cho tốc độ thay đổi của tổng khối lượng tế bào trong một quá trình ngoại sinh có thể thu được bằng cách kết hợp các phương trình. (9, 40), (9, 41) và (9, 42)
Phản ứng sinh hóa về cơ bản là các phản ứng hóa học được xúc tác bởi các enzyme (ngoại bào / nội bào). Do đó, các hằng số tốc độ cụ thể, ví dụ: p, b và y phụ thuộc vào nhiệt độ. Giá trị số của chúng tăng khi tăng nhiệt độ. Sự phụ thuộc nhiệt độ của chúng có thể được biểu thị bằng mối quan hệ kiểu Arrhenius,
Tuy nhiên, thường thì mối quan hệ được thể hiện bằng thực nghiệm như
trong đó k 0 tương ứng với một số nhiệt độ cơ bản f 0 được biểu thị bằng ° C và k tương ứng với nhiệt độ hoạt động t ° C. Giá trị số của O đã được tìm thấy nằm trong khoảng từ 1, 03 đến 1, 1. Nói chung, nó được lấy là 1.08.
Các giá trị số của các thông số động học được đánh giá bằng thực nghiệm, m m, K s, và b phụ thuộc vào sự kết hợp giữa cơ thể - sinh vật, cũng như nồng độ dinh dưỡng, pH và nhiệt độ được duy trì trong một cuộc điều tra cụ thể.
Người ta đã quan sát thấy rằng đối với chất nền dễ phân hủy, giá trị bằng số của m m là cao, trong khi đó, đối với chất nền khó làm suy giảm giá trị của m m thì thấp. Giá trị bằng số của K s là thấp trong trường hợp chất nền dễ bị phân hủy và cao đối với chất nền khó phân hủy. Một số giá trị tiêu biểu của các thông số động học đối với quy trình xử lý nước thải hiếu khí hỗn hợp được liệt kê trong Bảng 9.6
Nói chung, người ta cho rằng b v = b d .
Nó đã được tìm thấy rằng tốc độ tăng trưởng khối lượng tế bào khả thi cho cả quá trình hiếu khí và quá trình kỵ khí tuân theo phương trình. (9.37). Dữ liệu thực nghiệm cho thấy đối với các quá trình kỵ khí, m m thấp hơn và K s cao hơn so với các quy trình được liệt kê cho các quá trình hiếu khí trong Bảng 9.6.
