Razumijevanje aktivnog mulja (II) – Kako održati mikroorganizme 'reproduktivnim'!

Predgovor: Prethodni dokument je razmatrao porijeklo i strukturu mikrobne zajednice aktivnog mulja. Ovaj dokument se fokusira na "kako održati reprodukciju mikroorganizama". Svi znamo da kada je okruženje pogodno za reprodukciju, organizmi (biljke, životinje i mikroorganizmi) prirodno ulaze u reproduktivno stanje; kada se okoliš pogorša, organizmi prestaju da se razmnožavaju. Ako koristimo ljudsku "reproduktivnu želju" kao analogiju, mladi se danas suočavaju s tri velika izazova: obrazovanje, zdravstvena zaštita i stanovanje. Ova tri aspekta značajno utiču na njihovu spremnost da imaju djecu. Naravno, mikroorganizmi nemaju toliko zahtjeva, niti im trebaju automobili ili kuće. Sve dok vodena sredina ispunjava zahtjeve za temperaturom, otopljenim kisikom, pH i hranjivim tvarima, oni mogu brzo rasti!

Mikroorganizmi imaju svoju krivulju rasta, a njihov proces rasta se mijenja s dostupnošću hranjivih tvari. U definisanom okruženju, na koje ne utiču spoljni faktori, kriva rasta mikroorganizama je u skladu sa dijagramom ispod. Proces rasta uključuje četiri faze: adaptaciju (faza prilagođavanja), logaritamsku fazu rasta, fazu usporavanja rasta i endogeno disanje. Kada mikroorganizmi uđu u novu sredinu, dolazi do perioda adaptacije tokom kojeg njihov broj ostaje relativno stabilan.

Kriva rasta mulja (tj. Kriva mikrobnog rasta)

Koncentracija mikroorganizama ima početnu vrijednost, koja predstavlja količinu mulja dodanog prilikom inicijalnog pokretanja spremnika za biološki tretman. Vremenom se koncentracija mulja postepeno povećava. Općenito, koncentracija mulja u rezervoaru za aerobni biološki tretman može se održavati između 3000-5000 mg/L. Koncentracija mulja ovisi o BPK koncentraciji dotoka; što je veća koncentracija BPK, to je veća koncentracija mulja koja se može održavati.

U stvarnom radu rezervoara za biološki tretman, koncentracija mulja se održava između faze usporavanja rasta i faze endogenog disanja. Vidi se da koncentracija mulja varira u zavisnosti od načina rada rezervoara za biološki tretman.

U običnoj aeraciji, takođe poznatoj kao aeracija sa čepnim protokom, zagađivači se postepeno smanjuju tokom procesa propulzije, a rast mulja se kontroliše tokom faze rasta usporavanja. Neki će se možda pitati kako se to kontrolira? To se postiže recirkulacijom mulja i mjerama uklanjanja mulja!

Potpuno miješanje znači da svi dijelovi rezervoara za biološki tretman rade pod istim uvjetima (npr. koncentracija zagađivača, pH, otopljeni kisik, itd.). Procesi biološkog tretmana koji se povremeno rade (kao što je ranije spomenuti SBR proces) generalno mogu postići ovo dobro, a stanje mulja se kontrolira tokom faze usporavanja rasta.

Produžena aeracija (SRT) koristi veoma nisku zapreminsku stopu opterećenja u dizajnu, što rezultira relativno niskom koncentracijom mulja u rezervoaru za biološki tretman. Ovaj proces djeluje u fazi endogenog disanja krivulje rasta, zahtijevajući nisku stopu organskog opterećenja i dugo vrijeme aeracije, tipično 20-30 dana za SRT i 24 sata za HNL. Ovaj proces općenito ne koristi primarni spremnik za taloženje.

Kriva koncentracije rastvorenog kiseonika

Bez vanjskog dodatka otopljenog kisika, otopljeni kisik u vodi postepeno se smanjuje kao što je prikazano na slici. Naravno, rastvoreni kiseonik se mora dodati u rezervoar za biološki tretman da bi se održala relativno konstantna vrednost.

Kriva koncentracije zagađivača

BPK može u određenoj mjeri izraziti koncentraciju zagađivača u vodi (kao što je ranije spomenuto, vrijednosti COD-a se najbolje koriste u dizajnu zapremine rezervoara). Vremenom se koncentracija zagađivača smanjuje na nivo koji se može ispustiti.

Pod odgovarajućom temperaturom, dovoljnom količinom rastvorenog kiseonika i hranljivih materija, i odsustvom inhibitornih supstanci, odlučujući faktor koji kontroliše rast aktivnog mulja je odnos F/M između količine hrane (organske materije u otpadnoj vodi, takođe poznate kao supstrat) i količine mikroorganizama (aktivnog mulja), na koji takođe utiču faktori kao što su brzina degradacije, brzina substratizacije organskog mulja i količina kiseonika. adsorpciona svojstva aktivnog mulja.

Faza prilagođavanja (Faza prilagođavanja): Naziva se i faza prilagođavanja, ovo je početna faza uzgoja aktivnog mulja. Mikroorganizmi se ne razmnožavaju, ali počinju dolaziti do kvalitativnih promjena. Ova faza odgovara početnom horizontalnom dijelu krivulje rasta na dijagramu i općenito je kratkog trajanja. U kasnijim fazama faze adaptacije, mikrobni enzimski sistem se postepeno prilagođava novoj sredini, individualni razvoj je dostigao određeni nivo, ćelije počinju da se dele, a mikroorganizmi počinju da se razmnožavaju.

Logaritamska faza rasta: Brzina rasta aktivnog mulja se povećava, odnos F/M je relativno velik, organski supstrat je u izobilju, a aktivnost aktivnog mulja je visoka. Mikroorganizmi istovremeno apsorbuju organski supstrat najvećom brzinom i sintetiziraju ćelije najvećom brzinom, postižući proliferaciju. U ovoj fazi, aktivni mulj ima visok kapacitet za uklanjanje organske materije, a rast mulja nije ograničen hranljivim uslovima već samo koncentracijom mikroba. Međutim, mulj ima slaba svojstva flokulacije, teško se taloži i ima slabu efikasnost tretmana.

Faza usporenog rasta: Stopa rasta aktivnog mulja se smanjuje, F/M omjer nastavlja opadati, a stopa rasta je ograničena organskim hranjivim tvarima. Ovo je tipična radna faza procesa aktivnog mulja. U ovoj fazi, organska tvar iz otpadne vode može se u velikoj mjeri ukloniti, a mulj ima dobra svojstva flokulacije i taloženja.

Faza endogenog metabolizma: Nutrienti su u velikoj mjeri iscrpljeni. U nemogućnosti da dobije dovoljno nutrijenata, aktivni mulj počinje da koristi svoje unutrašnje skladište, tj. nalazi se u fazi samooksidacije. U ovoj fazi mulj ima visok stepen neorganizovanosti i dobra svojstva taloženja, ali lošu flokulaciju, pa se mulj postepeno smanjuje. Međutim, budući da je ostatke endogenog disanja uglavnom teško--razgraditi ćelijske zidove i citoplazmu, aktivni mulj ne može potpuno nestati.

Mnogi faktori mogu utjecati na rast mikroba, uključujući hranjive tvari, temperaturu, pH, otopljeni kisik i toksične tvari. Naravno, različite vrste mikroorganizama imaju različite raspone tolerancije za ove faktore. Uobičajene vrste mikroorganizama u aktivnom mulju uključuju aerobne bakterije (široku kategoriju, koja obuhvata mnoge potkategorije kao što su nitrifikacijske bakterije), hidrolitičke bakterije, bakterije fermentacije, vodikove bakterije, bakterije octene kiseline, metanogene, sulfat{2}}reducirajuće bakterije i anaerobne protozoe. Stoga, sve dok se ovi faktori drže u granicama normale, može se postići brz rast mikroba.

Nutrienti
Tokom životnih aktivnosti mikroorganizama, oni moraju kontinuirano apsorbirati esencijalne hranjive tvari iz okolnog vodnog tijela, uključujući: izvore ugljika, izvore dušika, neorganske soli i određene faktore rasta. Otpadna voda koja se tretira mora sadržavati dovoljne količine ovih supstanci.

Ugljik je važna strukturna komponenta mikrobnih ćelija. Mikroorganizmi uključeni u tretman aktivnog mulja imaju relativno visoke zahtjeve za izvorom ugljika, općenito ne manje od 100 mg/L (izračunato kao BPK5).

Dušik je važan element u sastavu proteina i nukleinskih kiselina unutar mikrobnih ćelija. Izvori azota mogu dolaziti iz neorganskih jedinjenja azota kao što su N2, NH3 i NO3, kao i organskih jedinjenja koja sadrže - kao što su proteini i aminokiseline.

Fosfor je esencijalni element za sintezu nukleoproteina, lecitina i drugih jedinjenja fosfora, koji igra ključnu ulogu u mikrobnom metabolizmu i transformaciji materijala. Koenzim I, koenzim II i adenozin monofosfat (ATP) sadrže fosfor. Mikroorganizmi prvenstveno dobijaju fosfor iz neorganskih jedinjenja fosfora. Nedovoljni izvori fosfora će uticati na aktivnost enzima, čime će uticati na fiziološke funkcije mikroorganizama.

Općenito, omjer tri glavna hranjiva sastojka (ugljenik, dušik i fosfor) je BOD:N:P=100:5:1. Pored toga, elementi u tragovima kao što su sumpor, natrijum, kalijum, kalcijum, magnezijum i gvožđe takođe igraju važnu ulogu u procesu rasta mikroorganizama.

Otopljeni kiseonik

Mikrobne vrste uključene u prečišćavanje otpadnih voda dijele se na aerobne i anaerobne vrste, a operativni spremnici uključuju aerobne rezervoare, anoksične rezervoare, rezervoare za hidrolizu i anaerobne rezervoare. Na osnovu radnog iskustva, koncentraciju rastvorenog kiseonika u aerobnom rezervoaru treba održavati između 2-4 mg/L. U rezervoarima za hidrolizu i anoksiku, koji su fakultativno anaerobne sredine, dozvoljena je određena koncentracija rastvorenog kiseonika, uglavnom između 0,2-0,5 mg/L. Anaerobni rezervoar je strogo anaerobno okruženje; da bi se osigurali procesi hidrolize i fermentacije, prisustvo rastvorenog kiseonika nije dozvoljeno.

Otopljeni kiseonik je ključan za rad postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda. Ako je otopljeni kisik u aerobnom spremniku prenizak, rast nitrificirajućih bakterija i drugih aerobnih bakterija će biti inhibiran, dok će se filamentne bakterije brzo razmnožavati, što će dovesti do nagomilavanja mulja.

pH vrijednost: Fiziološke aktivnosti mikroorganizama usko su povezane s pH vrijednosti okoliša. Mikroorganizmi mogu obavljati normalne fiziološke aktivnosti samo pod odgovarajućim pH uslovima. Optimalni pH raspon za mikroorganizme uključene u biološki tretman otpadnih voda je općenito između 6,5 i 8,5. Različite grupe bakterija imaju različite raspone tolerancije; hidrolitičke zakiseljajuće bakterije imaju pH raspon između 5,5 i 7,5, dok aerobne bakterije imaju pH raspon između 6,5 i 8,5.

Temperatura
Temperatura je ključna za rast mikroba. Većina mikroorganizama uključenih u tretman aktivnog mulja su termofilni, sa optimalnim temperaturnim rasponom od 10-45 stepeni. Da bi se osigurao pravilan rad, temperatura vode u rezervoaru za biološki tretman se uglavnom održava između 15-35 stepeni; rast mikroba usporava ispod 5 stepeni. Nadalje, anaerobne bakterije imaju mnogo veću temperaturnu toleranciju od aerobnih bakterija, pa je većina anaerobnih rezervoara opremljena izolacijom i uređajima za grijanje.

Toxic Substances
"Otrovne tvari" se odnose na određene anorganske i organske tvari koje inhibiraju fiziološke aktivnosti mikroorganizama. Oni uglavnom uključuju jone teških metala (kao što su cink, bakar, nikl, olovo, hrom, itd.) i neka nemetalna jedinjenja (kao što su fenoli, aldehidi, cijanidi, sulfidi, itd.). Toksični efekti toksičnih supstanci na mikroorganizme su kvantitativni; toksičnost i inhibicija postaju očigledni tek kada toksična tvar dostigne određenu koncentraciju u okolišu. Sve dok je koncentracija različitih toksičnih supstanci u otpadnim vodama ispod ovog nivoa, fiziološke funkcije mikroorganizama nisu pogođene.

Mikrobno uklanjanje i razgradnja zagađivača uglavnom se oslanja na dva procesa: adsorpciju i metabolizam (asimilaciju i disimilaciju).

Proces adsorpcije: U kratkom periodu nakon što otpadna voda dođe u kontakt i pomiješa se s aktivnim muljem, organski zagađivači u vodi pokazuju visoku brzinu uklanjanja. Ova početna-fenomen uklanjanja velike brzine rezultat je kombinacije fizičke i biološke adsorpcije. Tokom ovog procesa, organski supstrat u miješanoj tekućini brzo se smanjuje. To je zato što aktivni mulj ima veliku površinu i obogaćen je velikim brojem mikroorganizama na svojoj površini, prekrivenih viskoznim slojem{4}} bogatim polisaharidima. Kada suspendovani i koloidni organski supstrati u otpadnoj vodi dođu u kontakt sa aktivnim muljem, oni se brzo koaguliraju i adsorbuju, što je fenomen poznat kao "početna adsorpcija".

Početni proces adsorpcije odvija se vrlo brzo, uglavnom se završava u roku od 30 minuta. Brzina adsorpcionog uklanjanja BPK otpadne vode može dostići 70%, a za otpadne vode koje sadrže veliku količinu suspendovane i koloidne organske materije, BPK može da se smanji za 80%-90%. Početna brzina adsorpcije prvenstveno zavisi od aktivnosti mikroorganizama i stepena hidrauličke difuzije i hidrauličke dinamike unutar reaktora. Prvi određuje efikasnost adsorpcije i flokulacije mikroorganizama aktivnog mulja, dok drugi određuje stupanj kontakta između flokula aktivnog mulja i organskog supstrata.

Metabolički proces: Organski zagađivači adsorbirani na površini mikrobnih ćelija aktivnog mulja se metaboliziraju. Otopljena i malo-molekulska organska tvar direktno prožima ćelijski zid pod djelovanjem permeabilizirajućih enzima, gdje se podvrgava metabolizmu. Koloidne i suspendirane velike-organske tvari, kao što su škrob i proteini, prvo se hidroliziraju u otopljene male molekule pomoću ekstracelularnih enzima-hidrolaze-prije ulaska u ćeliju. Jednom u ćeliji, organski zagađivači se postupno oksidiraju i razlažu u stabilne anorganske produkte, kao što su CO2 i H2O, pod katalizom različitih intracelularnih enzima, oslobađajući energiju za staničnu sintezu. U ovom procesu, organska materija se transformiše u jednostavne, stabilne anorganske supstance kroz biohemijske reakcije, čime se postiže uklanjanje zagađivača.