Aktiivilietteen (II) ymmärtäminen – Kuinka pitää mikro-organismit lisääntymiskykyisinä!

Esipuhe: Edellisessä asiakirjassa käsiteltiin aktiivilietteen alkuperää ja mikrobiyhteisön rakennetta. Tämä asiakirja keskittyy "mikro-organismien pitämiseen lisääntymiskykyisinä". Tiedämme kaikki, että kun ympäristö on lisääntymiselle sopiva, organismit (kasvit, eläimet ja mikro-organismit) siirtyvät luonnollisesti lisääntymistilaan; kun ympäristö heikkenee, organismit lopettavat lisääntymisen. Jos käytämme ihmisen "lisääntymishalua" vertauksena, nuoret kohtaavat nykyään kolme suurta haastetta: koulutus, terveydenhuolto ja asuminen. Nämä kolme asiaa vaikuttavat merkittävästi heidän halukkuuteensa saada lapsia. Mikro-organismeilla ei tietenkään ole niin paljon vaatimuksia, eivätkä ne tarvitse autoja tai taloja. Niin kauan kuin vesiympäristö täyttää lämpötilan, liuenneen hapen, pH:n ja ravinteiden vaatimukset, ne voivat kasvaa nopeasti!

Mikro-organismeilla on oma kasvukäyränsä, ja niiden kasvuprosessi muuttuu ravinteiden saatavuuden mukaan. Määritellyssä ympäristössä, johon ulkoiset tekijät eivät vaikuta, mikro-organismien kasvukäyrä on alla olevan kaavion mukainen. Kasvuprosessi sisältää neljä vaihetta: sopeutuminen (sopeutumisvaihe), logaritminen kasvuvaihe, hidastuva kasvuvaihe ja endogeeninen hengitys. Kun mikro-organismit saapuvat uuteen ympäristöön, tapahtuu sopeutumisaika, jonka aikana niiden lukumäärä pysyy suhteellisen vakaana.

Lietteen kasvukäyrä (eli mikrobien kasvukäyrä)

Mikro-organismien pitoisuudella on alkuarvo, joka edustaa biologisen käsittelysäiliön alkukäynnistyksen yhteydessä lisätyn lietteen määrää. Ajan myötä lietteen pitoisuus kasvaa vähitellen. Yleensä lietteen pitoisuus aerobisessa biologisessa käsittelysäiliössä voidaan pitää välillä 3000-5000 mg/l. Lietteen pitoisuus riippuu tuloveden BOD-pitoisuudesta; mitä korkeampi BOD-pitoisuus, sitä korkeampi lietteen pitoisuus voidaan ylläpitää.

Varsinaisessa biologisessa käsittelysäiliökäytössä lietteen pitoisuus säilyy hidastuskasvuvaiheen ja endogeenisen hengitysvaiheen välillä. Voidaan nähdä, että lietteen pitoisuus vaihtelee riippuen biologisen käsittelysäiliön toimintatavasta.

Tavallisessa ilmastuksessa, joka tunnetaan myös nimellä tulppavirtausilmastus, epäpuhtaudet vähenevät vähitellen propulsioprosessin aikana ja lietteen kasvua hallitaan hidastuskasvuvaiheen aikana. Jotkut saattavat kysyä, miten tätä valvotaan? Tämä saavutetaan lietteen kierrätyksellä ja lietteenpoistotoimenpiteillä!

Täydellinen sekoitus tarkoittaa, että kaikki biologisen käsittelysäiliön osat toimivat samoissa olosuhteissa (esim. saastepitoisuus, pH, liuennut happi jne.). Ajoittain toimivilla biologisilla käsittelyprosesseilla (kuten aiemmin mainittu SBR-prosessi) voidaan yleensä saavuttaa tämä hyvin, ja lietteen tilaa ohjataan hidastuskasvuvaiheen aikana.

Extended aeration (SRT) käyttää suunnittelussa erittäin pientä tilavuuskuormitusnopeutta, mikä johtaa suhteellisen alhaiseen lietepitoisuuteen biologisessa käsittelysäiliössä. Tämä prosessi toimii kasvukäyrän endogeenisessa hengitysvaiheessa, mikä vaatii alhaisen orgaanisen kuormituksen ja pitkän ilmastusajan, tyypillisesti 20-30 päivää SRT:ssä ja 24 tuntia hormonikorvaushoidossa. Tämä prosessi ei yleensä käytä ensisijaista sedimentaatiosäiliötä.

Liuenneen hapen pitoisuuskäyrä

Ilman ulkoista liuenneen hapen lisäystä veteen liuenneen hapen määrä vähenee asteittain kuvan osoittamalla tavalla. Tietysti liuennutta happea on lisättävä biologiseen käsittelysäiliöön suhteellisen vakioarvon säilyttämiseksi.

Epäpuhtauksien pitoisuuskäyrä

BOD voi jossain määrin ilmaista epäpuhtauksien pitoisuutta vedessä (kuten aiemmin mainittiin, COD-arvoja käytetään parhaiten säiliön tilavuuden suunnittelussa). Ajan myötä epäpuhtauspitoisuus laskee päästötasolle.

Sopivassa lämpötilassa, riittävästi liuennutta happea ja ravinteita sekä estoaineiden puuttuessa aktiivilietteen kasvua säätelevä tekijä on ravinnon (jäteveden orgaaninen aines, joka tunnetaan myös substraattina) ja mikro-organismien (aktiiviliete) määrän välinen F/M-suhde, johon vaikuttavat myös sellaiset tekijät kuten orgaanisen aineen hajoamisnopeus, substraatin hajoamisnopeus ja hapettumisen ominaisuudet, hapen hyötykäyttö. lietettä.

Sopeutusvaihe (Adjustment Stage): Kutsutaan myös säätövaiheeksi, tämä on aktiivilietteen viljelyn alkuvaihe. Mikro-organismit eivät lisäänty, mutta laadullisia muutoksia alkaa tapahtua. Tämä vaihe vastaa kaavion kasvukäyrän alustavaa vaakasuuntaista osaa ja on yleensä lyhytkestoinen. Sopeutumisvaiheen myöhemmissä vaiheissa mikrobien entsyymijärjestelmä on vähitellen sopeutunut uuteen ympäristöön, yksilön kehitys on saavuttanut tietyn tason, solut alkavat jakautua ja mikro-organismit alkavat lisääntyä.

Logaritminen kasvuvaihe: Aktiivilietteen kasvunopeus kasvaa, F/M-suhde on suhteellisen suuri, orgaanista substraattia on runsaasti ja aktiivilietteen aktiivisuus on korkea. Mikro-organismit imevät samanaikaisesti orgaanista substraattia suurimmalla nopeudella ja syntetisoivat soluja suurimmalla nopeudella, mikä saavuttaa lisääntymisen. Tässä vaiheessa aktiivilieteellä on korkea orgaanisen aineksen poistokyky, eikä lietteen kasvua rajoita ravinneolosuhteet, vaan ainoastaan ​​mikrobipitoisuus. Lietteellä on kuitenkin huonot flokkulaatio-ominaisuudet, se on vaikea laskeutua ja sen käsittelyteho on huono.

Hidastunut kasvuvaihe: Aktiivilietteen kasvunopeus hidastuu, F/M-suhde laskee edelleen ja orgaaniset ravinteet rajoittavat kasvunopeutta. Tämä on aktiivilieteprosessin tyypillinen toimintavaihe. Tässä vaiheessa jäteveden orgaaninen aines voidaan suurelta osin poistaa, ja lietteellä on hyvät flokkulaatio- ja laskeutumisominaisuudet.

Endogeeninen aineenvaihduntavaihe: Ravinteet ovat suurelta osin lopussa. Koska aktiiviliete ei pysty saamaan riittävästi ravinteita, se alkaa hyödyntää sisäistä varastoaan eli on itse-hapetusvaiheessa. Tässä vaiheessa lietteellä on korkea epäorgaanisuus ja hyvät laskeutumisominaisuudet, mutta huono flokkulaatio ja liete pienenee vähitellen. Koska endogeenisen hengityksen jäännösten on enimmäkseen vaikea-{-hajota soluseinämiä ja sytoplasmaa, aktiiviliete ei voi kadota kokonaan.

Mikrobien kasvuun voivat vaikuttaa monet tekijät, mukaan lukien ravinteet, lämpötila, pH, liuennut happi ja myrkylliset aineet. Tietenkin erityyppisillä mikro-organismeilla on erilaiset toleranssialueet näille tekijöille. Yleisiä aktiivilietteen mikro-organismeja ovat aerobiset bakteerit (laaja luokka, joka sisältää monia alaluokkia, kuten nitrifioivat bakteerit), hydrolyyttiset bakteerit, käymisbakteerit, vetybakteerit, etikkahappobakteerit, metanogeenit, sulfaattia{2}}pelkistävät bakteerit ja anaerobiset alkueläimet. Siksi niin kauan kuin nämä tekijät pidetään normaaleissa rajoissa, voidaan saavuttaa nopea mikrobikasvu.

Ravinteet
Mikro-organismien elintoiminnan aikana niiden on jatkuvasti imettävä tärkeitä ravinteita ympäröivästä vesistöstä, mukaan lukien: hiililähteet, typen lähteet, epäorgaaniset suolat ja tietyt kasvutekijät. Käsiteltävän jäteveden tulee sisältää riittävästi näitä aineita.

Hiili on tärkeä mikrobisolujen rakennekomponentti. Aktiivilietteen käsittelyyn osallistuvilla mikro-organismeilla on suhteellisen korkea hiililähteen tarve, yleensä vähintään 100 mg/L (laskettuna BOD5:ksi).

Typpi on tärkeä elementti proteiinien ja nukleiinihappojen koostumuksessa mikrobisoluissa. Typen lähteet voivat olla peräisin epäorgaanisista typpiyhdisteistä, kuten N2, NH3 ja NO3, sekä orgaanista typpeä- sisältävistä yhdisteistä, kuten proteiineista ja aminohapoista.

Fosfori on olennainen alkuaine nukleoproteiinien, lesitiinin ja muiden fosforiyhdisteiden synteesissä, ja sillä on ratkaiseva rooli mikrobien aineenvaihdunnassa ja materiaalin muuntamisessa. Koentsyymi I, koentsyymi II ja adenosiinimonofosfaatti (ATP) sisältävät kaikki fosforia. Mikro-organismit saavat fosforia ensisijaisesti epäorgaanisista fosforiyhdisteistä. Riittämättömät fosforilähteet vaikuttavat entsyymiaktiivisuuteen ja siten mikro-organismien fysiologisiin toimintoihin.

Yleensä kolmen pääravinteen (hiili, typpi ja fosfori) suhde on BOD:N:P=100:5:1. Lisäksi hivenaineilla, kuten rikillä, natriumilla, kaliumilla, kalsiumilla, magnesiumilla ja raudalla, on myös tärkeä rooli mikro-organismien kasvuprosessissa.

Liuennut happi

Jäteveden käsittelyyn osallistuvat mikrobilajit jaetaan aerobisiin ja anaerobisiin lajeihin, ja käyttösäiliöitä ovat aerobiset säiliöt, hapettomat säiliöt, hydrolyysisäiliöt ja anaerobiset säiliöt. Käyttökokemuksen perusteella aerobisen säiliön liuenneen hapen pitoisuus tulee pitää välillä 2-4 mg/l. Hydrolyysi- ja hapettomissa säiliöissä, jotka ovat fakultatiivisia anaerobisia ympäristöjä, tietty liuenneen hapen pitoisuus on sallittu, yleensä välillä 0,2-0,5 mg/l. Anaerobinen säiliö on täysin anaerobinen ympäristö; hydrolyysi- ja käymisprosessien varmistamiseksi liuenneen hapen läsnäolo ei ole sallittua.

Liuennut happi on ratkaisevan tärkeää jätevedenpuhdistamoiden toiminnalle. Jos aerobisessa säiliössä on liian vähän liuennutta happea, nitrifioivien bakteerien ja muiden aerobisten bakteerien kasvu estyy, kun taas rihmabakteerit lisääntyvät nopeasti, mikä johtaa lietteen bulkkiin.

pH-arvo: Mikro-organismien fysiologiset toiminnot liittyvät läheisesti ympäristön pH-arvoon. Mikro-organismit voivat suorittaa normaaleja fysiologisia toimintoja vain sopivissa pH-olosuhteissa. Biologisessa jätevedenkäsittelyssä mukana olevien mikro-organismien optimaalinen pH-alue on yleensä 6,5-8,5. Eri bakteeriryhmillä on erilaiset toleranssialueet; hydrolyyttisesti happamoittavien bakteerien pH-alue on 5,5-7,5, kun taas aerobisten bakteerien pH-alue on 6,5-8,5.

Lämpötila
Lämpötila on ratkaiseva mikrobien kasvulle. Useimmat aktiivilietteen käsittelyyn osallistuvat mikro-organismit ovat termofiilisiä, ja niiden optimaalinen lämpötila-alue on 10-45 astetta. Oikean toiminnan varmistamiseksi veden lämpötila biologisessa käsittelysäiliössä pidetään yleensä välillä 15-35 astetta; mikrobien kasvu hidastuu alle 5 asteen lämpötilassa. Lisäksi anaerobisilla bakteereilla on paljon korkeampi lämpötilansieto kuin aerobisilla bakteereilla, joten useimmat anaerobiset säiliöt on varustettu eristys- ja lämmityslaitteilla.

Myrkylliset aineet
"Myrkyllisillä aineilla" tarkoitetaan tiettyjä epäorgaanisia ja orgaanisia aineita, jotka estävät mikro-organismien fysiologista toimintaa. Näitä ovat pääasiassa raskasmetalli-ionit (kuten sinkki, kupari, nikkeli, lyijy, kromi jne.) ja jotkin ei--metalliyhdisteet (kuten fenolit, aldehydit, syanidit, sulfidit jne.). Myrkyllisten aineiden myrkylliset vaikutukset mikro-organismeihin ovat kvantitatiivisia; myrkyllisyys ja esto tulevat ilmi vasta, kun myrkyllinen aine saavuttaa tietyn pitoisuuden ympäristössä. Niin kauan kuin erilaisten myrkyllisten aineiden pitoisuus jätevedessä on tämän tason alapuolella, mikro-organismien fysiologiset toiminnot eivät vaikuta.

Epäpuhtauksien mikrobien poisto ja hajoaminen perustuu pääasiassa kahteen prosessiin: adsorptioon ja aineenvaihduntaan (assimilaatio ja dissimilaatio).

Adsorptioprosessi: Lyhyen ajan kuluttua siitä, kun jätevesi on joutunut kosketuksiin aktiivilietteen kanssa ja sekoittuu sen kanssa, vedessä olevat orgaaniset epäpuhtaudet poistuvat nopeasti. Tämä alkuvaiheen nopea{1}}poistoilmiö on seurausta fysikaalisen ja biologisen adsorption yhdistelmästä. Tämän prosessin aikana orgaaninen substraatti sekalipeässä vähenee nopeasti. Tämä johtuu siitä, että aktiivilietteen pinta-ala on suuri ja sen pinta on rikastettu suurella määrällä mikro-organismeja, joita peittää polysakkaridi{4}}rikas viskoosi kerros. Kun jäteveden suspendoituneet ja kolloidiset orgaaniset substraatit joutuvat kosketuksiin aktiivilietteen flokkien kanssa, ne koaguloituvat ja adsorboituvat nopeasti, mikä ilmiö tunnetaan nimellä "alkuadsorptio".

Alkuadsorptioprosessi etenee hyvin nopeasti, yleensä päättyy 30 minuutissa. Jäteveden BOD adsorption poistoaste voi nousta 70 %:iin ja suuren määrän suspendoitunutta ja kolloidista orgaanista ainetta sisältävän jäteveden BOD voi laskea 80–90 %. Alkuadsorptionopeus riippuu ensisijaisesti mikro-organismien aktiivisuudesta ja hydraulisen diffuusion asteesta ja hydraulisesta dynamiikasta reaktorissa. Ensin mainittu määrittää aktiivilietteen mikro-organismien adsorptio- ja flokkulaatiotehokkuuden, kun taas jälkimmäinen määrittää kontaktiasteen aktiivilietehiutaleiden ja orgaanisen substraatin välillä.

Aineenvaihduntaprosessi: Aktiivilietteen mikrobisolujen pinnalle adsorboituneet orgaaniset epäpuhtaudet metaboloituvat. Liuennut ja pienimolekyylinen-orgaaninen aines läpäisee soluseinän suoraan soluun permeabilisoivien entsyymien vaikutuksesta, jossa se käy läpi aineenvaihduntaa. Kolloidinen ja suspendoitunut suuri-molekyylinen orgaaninen aine, kuten tärkkelys ja proteiini, hydrolysoituu ensin liuenneiksi pieniksi molekyyleiksi solunulkoisten entsyymien -hydrolaasien- vaikutuksesta, ennen kuin ne tulevat soluun. Kun orgaaniset epäpuhtaudet ovat joutuneet solun sisään, ne hapetetaan vähitellen ja hajoavat pysyviksi epäorgaanisiksi tuotteiksi, kuten CO2 ja H2O, erilaisten solunsisäisten entsyymien katalyysin alaisena vapauttaen energiaa solusynteesiin. Tässä prosessissa orgaaninen aines muuttuu yksinkertaisiksi, pysyviksi epäorgaanisiksi aineiksi biokemiallisten reaktioiden kautta, jolloin saasteet poistetaan.