Atık Suların Sekonder Arıtımı (Diyagramlı)

Atık suyun ikincil arıtılması hakkında bilgi edinmek için bu makaleyi okuyun.

İkincil arıtma aynı zamanda biyolojik arıtma olarak da bilinir. Biyobozunur çözünmüş ve / veya süspanse edilmiş organik maddeleri azaltma yeteneğine sahiptir. İkincil işlemle, çözünmüş azotlu ve fosforlu bileşiklerin bir atık su akımından çıkarılması da mümkündür.

Mikroorganizmaların varlığında bozulmaya uğrayan organik maddeler (her yerde bulunan mikroplar) biyolojik olarak parçalanabilir maddeler olarak adlandırılır. Mikroorganizmalar, biyolojik bozunma işlemleri için katalizör görevi gören enzimler (karmaşık proteinli maddeler) üretir. Bu işlemler, biyokimyasal yollar olarak adlandırılan bir dizi reaksiyonla gerçekleşir.

Reaksiyonlar çözünmüş oksijen varlığında gerçekleşebilir. Bunlar aerobik reaksiyonlar (işlemler) olarak adlandırılır. Bazı reaksiyonlar toplam oksijen yokluğunda gerçekleşir. Bunlar anaerobik / zorunlu anaerobik süreçler olarak adlandırılır. Aerobik şartlar altında meydana gelen reaksiyonlar, anaerobik şartlar altında olanlardan farklı olacaktır.

Hem aerobik hem de anaerobik koşullar altında biyolojik reaksiyonları gerçekleştirebilen bazı mikroplar vardır. Bu mikroplara fakültatif mikroplar denir ve işlemler fakültatif olanlar olarak adlandırılır.

Organik maddeler içeren (çözünmüş ve / veya askıya alınmış) atık suyun biyolojik arıtılması için bir dizi mikrop kullanılır ve korunan koşullar aerobik veya anaerobik olabilir. Bu işlemlerin daha iyi anlaşılması için, aşağıda kısaca tartışılan farklı türdeki mikropların temel özelliklerini tanımak gerekir.

Mikropların Temelleri:

Mikroskop icat edilmeden önce canlılar, bitkiler ve hayvanlar olmak üzere iki gruba ayrıldı. Bitkiler hareketsiz, oysa hayvanlar hareketlidir. Mikroskop icat edildikten sonra mikroplar / mikroorganizmalar görünür hale geldi. Canlıların temel özelliklerine sahipler, yani kendilerini üretebilecek kapasiteye sahipler, ancak yapısal olarak makro bitkilerden ve hayvanlardan farklı. Mikroskobik canlılar protistler olarak adlandırılır.

Protistler nispeten basit bir yapıya sahiptir. Tek hücreli veya çok hücreli olabilirler. Çok hücreli hücrelerde bile, hücreler dahili olarak farklı değildir ve bunlar doku olarak organize edilmez. Makro bitkilerin ve hayvanların farklı işlevleri yerine getiren dokuları vardır. Protist sınıflamalar Tablo 9.3'te verilmiştir.

Şekil 9.19A ve 9.19B, prokaryot ve ökaryot hücrelerinin tipik yapılarını gösterir.

Protistlerin yanı sıra, virüs olarak bilinen bazı mikroskobik olarak kullanılabilir bazı parçacıklar vardır. Bunlar sadece elektron mikroskobu altında görülebilir. Boyutları 0.02-0.08 pm arasında değişmektedir. Temel olarak bunlar bir protein kabuğu ile çevrili bir DNA veya RNA'dır. Kendi başlarına çoğalamazlar. Konakçı hücreleri enfekte eder ve kendilerini çoğaltmaları için uyarırlar ve böylece daha fazla virüs üretirler.

Prokaryotlar:

Prokaryotlar tek hücrelidir ve genellikle çapı 5 um'den küçüktür. Çok basit bir yapıya sahiptirler ve bir zarla bağlanırlar. Çoğu katı hücre duvarlarına sahiptir. Bir hücrenin içinde bir çekirdek ve sitoplazma vardır. Çekirdek, sitoplazmadan bir zar ile ayrılmaz. Solunum ve fotosentetik reaksiyonlarda yer alan enzimler hücre zarında veya katlanmasında bulunur. Prokaryotlar fgotropik değildir, yani yiyecek alamazlar.

Askıya alınan organik parçacıkları hidrolize eden ve büyük organik molekülleri küçük olanlara çözen hücre dışı hidrolitik enzimler salgılarlar. Daha küçük molekülleri hidrolize ederler ve daha sonra çeşitli mekanizmalarla hücrelere girerler. Prokaryotlar normal olarak hücre zarından çıkıntı yapan sarmal fibril olan flagella yardımı ile hareket eder, Temel olarak, iki bakal prokaryot grubu vardır, yani bakteri ve mavi-yeşil algler.

Bakteriler:

Bakteriler tek hücrelidir. Boyutları 0, 2 ila 2 µm arasında değişmektedir. Miksobakteriler, spiroketler ve eubakteriler: Bunlar üç gruba ayrılır. Şekline bağlı olarak, bunlar kok (küresel), basil (çubuk benzeri) ve spirilla (spiral) olarak adlandırılır.

Miksobakteriler ince, narin duvarlara sahip, çubuk şeklindedir. Kayma hareketi ile hareket ederler. Yiyeceklerini bakteri, mantar, yosun vb. Diğer organizmaları bölerek (lize ederek) elde ederler. Spiroketler narin esnek duvarlara sahip, helikoidal formdadır. Genişlikleri ile karşılaştırıldığında nispeten uzun. Çamur ve suda yaşarlar ve anaerobiktirler. Bazıları parazit.

Öbakteriler:

Miksobakteriler ve spiroketler dışındaki bakteriler, eubakteriler olarak gruplandırılır. Şekilleri küresel veya spiral gibi çubuk olabilir. Bazıları flagella ve hareketli, diğerleri ise hareketsizdir. Metabolik ve enerjik özelliklerine göre alt sınıflanmıştır. Genel olarak, bunlar tek hücrelidir, ancak bazıları toplanır, bazıları ise filamentlidir.

Mavi-Yeşil Yosun:

Tek hücreli veya çok hücreli olabilirler. İkili bölünme ile çarpıyorlar. Çok hücreli, ortak bir dış duvar tarafından bir arada tutulan özdeş hücrelerin filamentleridir. Birkaç hücre içeren bir filamentin kısa bir kısmı serbest bırakılır ve serbest kalan filaman, hücrelerin bir düzlemde ikili bölünmesiyle büyür.

Tek hücreli filamentler hareketsizdir, oysa çok hücreli filamanlar kayabilir. Mavi-yeşil algler fotosentetiktir. Renkleri genellikle mavi-yeşildir. Bazı türler kırmızı, mor, kahverengi ve siyah renktedir. Bazı türler atmosferik azotu sabitleyebilir.

Ökaryotlar:

Ökaryotlar prokaryotlardan daha karmaşık bir yapıya sahiptir. Çapları 20'den fazladır. Her bir hücre, çekirdek, mitokondri, endoplazmik retikulum, Golgi aparatı, vakuol, lizomlar, ribozomlar, kloroplastlar, vs. gibi çeşitli organellere sahiptir. Bunların her birinin kendine özgü bir işlevi vardır. Her hücrede bir dış hücre zarı vardır. Bazıları hücre duvarlarına sahiptir. İç organeller membranlarla sınırlandırılmıştır.

Hücre duvarları olmayan ökaryotik hücreler, sitoplazmik akış olarak adlandırılan sitoplazmik hareket nedeniyle amoeboid hareket sergiler. Hücre duvarları olanlar flagella yardımı ile hareket eder. Ökaryotlar algler, protozoa ve mantarlar olmak üzere üç gruba ayrılmıştır.

Ökaryotik algler :

Bunlar tek hücreli veya çok hücreli olabilir. Çok hücreli hücrelerde hücreler birbirinden farklı değildir. Fotosentetik, bazıları hücre duvarlarına sahip ve bu nedenle ozmotrofik. Hücre duvarları olmayanlar, fagorotik olarak daha küçük organizmaları yutar. İnorganik ortamlarda büyüyebilirler. Bunlar atık su arıtımında önemli değildir.

Bununla birlikte, fotosentez sırasında oksijen ürettiklerinden simbiyotik olarak bakterilere yardımcı olurlar. Anorganik besinlerin varlığında alglerin çoğalması, çalışma süresi azaldıkça filtrasyon sırasında sorun yaratır. Kırmızı algler olması dışında altı büyük ökaryotik alg grubu vardır. Kloroplast pigment renkleri, hücre duvarı bileşimi ve rezerv gıda bileşimi bakımından diğerlerinden farklıdırlar.

Tek hücreli:

Bunlar tek hücreli, fotosentetik olmayan ve hareketlidir. Bazıları parazitik, bazıları ise fgotrofiktir. Çoğunluk aerobik ve birkaç anaerobiktir. Fgotrofik olanlar daha küçük organizmaları ve organik maddeleri yutarlar. Suctoria grubu protozoaları avlar. Biyo-flokülasyonda yardımcı olurlar.

Protozoalar beş ana gruba ayrılmıştır: Mastigophora, Sarcodina, Sporozoa, Ciliate ve Suctoria. Mastigophora'da flagella var. Genellikle paraziterdirler. Bazıları patojenik, bazıları değildir.

Sarcodina:

Bu grubun ana hareket şekli, yalancı türlerin yardımıyla amoeboid tip hareketlerdir. Bazılarında flagella var. Bazıları fagositik, bazıları ise paraziterdir. İnsanlarda amip dizanteriye neden olan amipler bu gruba aittir. Sporozoalar ozmotropik parazitlerdir. Bazıları hareketsiz, bazıları ise kayma hareketi ile hareket eder. Atık su arıtımında rolü yoktur. Onlar patojeniktir.

siliyat:

Bu grup atık su arıtımında önemlidir. Onlar fgotropiktir. Çıkıntıları gibi kısa saçları var (Kirpikler). Cilia'nın yardımıyla yiyecekleri hareket ettirir ve yakalarlar. Biri serbest yüzme tipi ve diğeri takip edilen tip olmak üzere iki alt grup vardır.

Suctoria:

Yaşam döngüsünün ilk evresinde Cilia'ya sahiptirler. Daha sonra dokunaç geliştirirler. Dokunaçların yardımıyla diğer protozoaları avlarlar.

Mantarlar:

Mantarlar çoğunlukla çok çekirdeklidir ve miselyum olarak bilinen bir yapıya sahiptir. Bunların çoğu aerobik, bazıları ise anaerobik. Bakteriyel olarak bozulmuş organik artıklarda bile her türlü organik maddede yaşarlar. Ana gruplar: Ficomycetes, Ascomycota, Basidioniycetes ve Mantarlar - Imperfecti. Mayalar tek hücreli mantarlardır. Mantarlar tomurcuklanan veya ikili fisyon ile ürerler. Bazı endüstriyel uygulamaları var.

Genel olarak mantarlar atık su arıtımında kullanılmaz. Protistler dışında, Rotifiers olarak bilinen bazı küçük heterotrofik çok hücreli aerobik hayvanlar aerobik atık su arıtma ünitelerinde bulunabilir. Başlarında iki tane dönen Cilia var. Bunlar hareketlilik için olduğu kadar yiyecek yakalamak için de kullanılıyor.

Atık Su Arıtımında Mikrobiyal Etkileşim:

Atık su arıtımı için hemen hemen her zaman çeşitli organizma türlerine sahip olan bir mikrobiyal topluluk bir arıtma ünitesine girmektedir. Bu organizmalar, atık suyun kendisiyle birlikte çevre ortamdan bir arıtma ünitesine girebilir. Sıklıkla, atık su arıtması sırasında üretilen biyokütlenin (mikropların) bir kısmı arıtma ünitesine geri dönüştürülür. Belirli bir kirleticinin azaltılması için bazen bazı özel organizmalar eklenir.

Atık su her zaman çeşitli kimyasallar (kirleticiler) içerecektir ve bunların azaltılması için çeşitli türlerde mikropların varlığı faydalı ve bazen de esastır. Bu organizmalar işlem sırasında birbirleriyle etkileşime girerler.

Bireysel mikrop türlerinin popülasyonu, bir arıtma ünitesine giren bir atık su akımının özelliklerinin niteliksel ve niceliksel çeşitlemesi ile değişebilir, ancak sistemde geniş bir mikrop spektrumunda mevcutsa, sistem genel bir stabiliteye sahip olabilir.

Bununla birlikte, eğer sınırlı topluluk, yani, seçilen bazı türler partikül halinde kullanılıyorsa, arıtılan atık su akımının akışındaki / özelliklerindeki şok değişimlerinden dolayı sistem kolayca sinirlenebilir. Bir atık su arıtma sisteminde bulunan çeşitli mikrop türleri arasındaki etkileşimler aşağıdaki tiplerde olabilir: nötr, yardımsever ve antagonistik.

Nötr Etkileşim:

Bir ekosistemde bulunan türler aynı substratı (yiyecek) kullanmadığında, çevresel gereklilikleri farklıdır ve birbirlerinin metabolik ürünlerini ve yan ürünlerini kullanmazlarsa etkileşimin nötr olduğu söylenir. Herhangi bir ekosistemdeki bir mikro organizma topluluğunda böyle bir etkileşim çok nadirdir.

Yardımsever Etkileşim:

Bir ekosistemde bazen bir organizma, başka bir organizmanın metabolik aktivitesinde veya çevresel gereksinimlerini sürdürmede yardımcı olur ve birbirlerine zarar vermez. Organizmalar arasındaki böyle bir etkileşime, iyi niyetli etkileşim olarak atıfta bulunulur.

Commensalism ve Mutualism olmak üzere iki tür iyi niyetli etkileşim vardır. Bazen bir organizmanın metabolik ürünleri veya yan ürünleri başka bir organizma tarafından kullanılır. İki tür arasındaki bu etkileşime komensalizm etkileşimi denir.

Bu gibi etkileşimlere örnekler:

(1) Glikoz veya bir organizmanın ürettiği büyüme faktörü, diğer organizmalar tarafından kullanılır.

(2) Bir ekosistemde bir organizma tarafından tüketilen fenol (bazı organizmalar için toksik), böylece sistemde bulunan diğer organizmalar zarar görmeyebilir.

Bir ekosistemde bulunan organizmalar birbirlerine yardım ettiğinde, etkileşim karşılıklılık olarak adlandırılır. Bir örnek, aerobik bir arıtma ünitesinde yosun ve bakteriler arasındaki etkileşimdir. Fotosentez sırasında algler, aerobik bakterilerin metabolik aktivitelerinde yardımcı olan ₀₂ üretir. Solunum sırasında CO2 üreten bakteriler fotosentezde yosunlara yardımcı olur.

Antagonistik Etkileşim:

Bazen bir tür organizma, aynı kaynağın bir başkasıyla rekabet eder veya bir tür, diğerinin büyümesini önler veya iki tür organizma arasında bir avcı-av ilişkisi vardır. Bu gibi durumlarda türler arasındaki etkileşimin antagonistik olduğu söylenir.

Antagonistik tipteki etkileşimlerin bazı örnekleri:

(1) Çözünmüş oksijen için yarışan fakültatif ve zorunlu aerobik bakteriler,

(2) Fotosentez sırasında O ₂ üreten ve böylece zorunlu anaerobların büyümesini önleyen algler ve

(3) Bakterileri avlayan protozoa.

Mikrop Fizyolojisi:

Mikrobiyal hücreler yaklaşık yüzde 80 oranında su içerir. Kalan kısım C, ₀₂, H2, N2, P ve S'den oluşur. Na, K, Ca, Mg, Fe gibi metaller de mikrobiyal hücrelerde bulunur. Bir hücrenin C, ₀₂, H2 ve N2 bileşenleri genellikle C5H7O2N formülü ile (külsüz olarak) yaklaşık olarak hesaplanır (H2 ve O dışındaki yeni mikropların sentezi için). ₂ (sudan elde edilebilir) gerekli ana elementler C ve N2'dir.

Nispeten küçük miktarda P ve S gereklidir ve yukarıda sıralanan metallerin çok küçük miktarlarında da gereklidir. Mikroplar üreme için çeşitli bileşenleri çevrelerinden elde eder (ekosistem). Mikroplar ayrıca hareketleri için olduğu kadar metabolik (katabolik ve anabolik) aktivitelerini yürütmek için enerjiye ihtiyaç duyarlar.

Bir atık su arıtma sisteminde mikropların çoğaltılması için gerekli olan yukarıda belirtilen bileşenlerin kaynakları şunlardır:

N ₂ Kaynak:

Proteinlerin ve nükleik asitlerin sentezi için, mevcut kirleticilerin bir bileşeni olarak mevcut değilse, bir atık su arıtma ünitesine azot taşıyan bileşikler eklenecektir.

O ₂ Kaynakları:

Autotroph'lar O ₂ kaynağı olarak CO ₂ ve H ₂ O kullanır. Heterotroflar oksijen içeren organik bileşikler ve H ₂ O kullanır.

C Kaynak:

Ototroflar karbon kaynağı olarak CO2 kullanır, heterotroflar ise karbon kaynağı olarak organik bileşikler kullanır.

S Kaynak:

Protein sentezi için gereken kükürt, normal olarak atık suda bulunan kükürt taşıyıcı bileşiklerden elde edilir.

P Kaynak:

Nükleik asitlerin ve fosfolipitlerin sentezi için gereken fosfor, normal olarak atık su içinde bulunan inorganik fosfatlardan ve organofosfor bileşiklerinden elde edilir. Hareket için olduğu kadar metabolik aktivite için de enerji transferi için organofosfor bileşikleri ATP (Adenosin trifosfat), ADP (Adenosin di-fosfat) ve AMP (Adenosin monofosfat) gereklidir. Bunlar, atık suda bulunan fosfor (inorganik / organik) kullanan mikroplar tarafından sentezlenir.

Mikropların metabolik ve enerjik özelliklerine göre sınıflandırılması Tablo 9.4'te listelenmiştir.

Tablo 9.4'ten, kemoheterotrofik maddenin organik maddeler içeren atık suların arıtılmasında en faydalı olduğu açıktır. Fotoototroflar, fotosentez sırasında üretilen çözünmüş oksijen ile atık suyu zenginleştirdikleri için bir miktar kullanımdadır.

Kemoheterotrofik sınıflandırması için aşağıdaki kriterler kullanılır:

1. Enerji ihtiyaçlarını karşıladıkları süreç,

2. Daha aktif oldukları sıcaklık aralığı.

Enerji üretmek için organik bileşikleri oksitlemek için çözünmüş 02 kullanan kemoheterotrofik aerob olarak adlandırılır. Erimiş O2 yokluğunda organik bileşiklerin (fermantasyon işlemleri) ayrıştırılarak enerji üretenlere anaeroblar denir. Çözünmüş oksijenin yokluğunda aerobik olarak ve çözünmüş oksijenin yokluğunda anaerobik olarak davranan üçüncü bir grup vardır. Bu gruba fakültatif mikroplar denir. Kemoheterotrofiklerin daha aktif oldukları sıcaklık aralığına göre sınıflandırılması Tablo 9.5'te verilmiştir.

Kemoheterotrofik tarafından gerçekleştirilen metabolik ve enerjik reaksiyonlar, Katabolik yol, Amfibolik yol, Anaplerotik yol ve Anabolik yol olarak gruplanır. Bu aşamalar boyunca organizmalar enerjilerini elde eder ve nükleik asitler, proteinler, polisakaritler, lipitler vb. Gibi bileşikleri sentezler ve son olarak yeni mikrobiyal hücreler üretir. Yukarıda belirtilen güzergahlar boyunca gerçekleştirilen spesifik aktiviteler aşağıda özetlenmiştir.

Katabolik Güzergah:

Genellikle katabolik faaliyetler iki aşamada gerçekleştirilir. Birinci aşamada, atık suda bulunan askıya alınan organik madde çözündürülür ve daha büyük çözünmüş organik moleküller daha küçük moleküllere hidrolize edilir (tükürülür). Hücre dışı enzimler bu reaksiyonlara katılır. Bu aşamada serbest kalan nispeten küçük enerji miktarı, reaksiyonlar hücrelerin dışında gerçekleştiği için hücreler (mikroplar) için mevcut değildir. .

Katabolik işlemlerin ikinci aşamasında, daha küçük organik moleküller hali hazırda hücrelerin içinde dağınık üretmiştir. Ayrıca, dağınık moleküllerin ayrılması ve bazı oksidasyon reaksiyonları meydana gelir. Bu aşamada serbest kalan enerji hücrelere verilir.

Amfibolik Güzergah:

Bu reaksiyonlar için başlangıç ​​malzemeleri, katabolik işlemin ikinci aşamasında üretilen malzemelerdir (moleküller). Amfibolik reaksiyonların bir sonucu olarak bazı ara bileşikler biyosentez için üretilir ve bazı oksidasyon reaksiyonları da gerçekleşir.

Bir aerobik işlem sırasında, nihai oksidasyon reaksiyonu ürünleri C02 ve H20'dir. Bir anaerobik işlem sırasında oksidasyon ürünleri C02 ve diğer bazı organik moleküllerdir (biyosentez için bileşenler değildir). Bunlar fermantasyon ürünleri olarak adlandırılır.

Anaplerotik Güzergah:

Amfibolik işlem sırasında üretilen ara ürünler, biyosentez işlemlerine olan toplam talebi karşılamak için yeterli değildir. Bu nedenle bu rotada bazı daha fazla ara ürün üretilir.

Anabolik Güzergah:

Bu işlem sırasında, amfibolik yol ve anaplerotik yol tarafından üretilen ara ürünler daha sonra polimerize edilir ve son olarak hücrelerin farklı bileşenleri üretilir. Sonunda yeni hücrelerin üretimine yol açar. Burada bir hücrenin içinde gerçekleşen tüm aktivitelerin (kimyasal reaksiyonlar) katalizör enzim (kompleks proteinli bileşikler) olduğu belirtilmelidir.

Enzimatik Kinetik:

Mikro organizmaların hücrelerinde (hücre içi) veya hücrelerin hemen dışında (hücre dışı) meydana gelen tüm kimyasal reaksiyonlar enzim katalizlidir. Enzimler reaksiyona özgüdür, yani her bir enzim, belirli bir substrat (reaktif) kullanarak belirli bir reaksiyonu gerçekleştirebilir.

İnorganik katalizörler gibi, enzimler bazı kimyasallar tarafından zehirlenebilir (inhibe edilebilir). Enzimler ayrıca, içinde meydana gelen bazı yapısal değişikliklerden kaynaklanabilecek yüksek sıcaklıkta ve olumsuz pH koşulunda da etkilenir.

Enzimatik reaksiyonların kinetiği birçok bilim adamı tarafından incelenmiştir. Önerilen modellerine dayanarak oran denklemleri geliştirdiler. Bunlardan bazıları aşağıda tartışılmaktadır. Temel denklem Michaelis-Menten denklemi olarak adlandırılır.

Herhangi bir inhibitör yokluğunda enzimatik reaksiyonların iki adımda gerçekleştiği varsayılmaktadır. İlk adımda, bir substrat (reaktif) molekülü (S), bir enzim substrat kompleksi (ES) oluşturmak için bir enzim molekülü (E) ile birleşir. Bu reaksiyonun tersinir olduğu düşünülmektedir. İkinci aşamada, kompleks (ES), enzim molekülünün serbest bırakıldığı ve bir veya daha fazla ürünün oluştuğu geri dönüşümsüz bir reaksiyona girer. Genel işlem olarak temsil edilebilir

Enzim-substrat kompleks oluşum reaksiyonunun modellenmesi için iki hipotez önerilmiştir. Bir hipoteze göre bu reaksiyon anında dengeye ulaşır. Diğerine göre bu reaksiyon anında bir 'sahte-kararlı durum' durumuna ulaşır, yani, ES kompleksinin oluşum hızı, ters reaksiyonla kompleksin ortadan kalkma oranıyla aynı olur. Substratın kaybolma oranı / ürün oluşum hızı için geliştirilen son denklem yukarıda belirtilen hipotezin kabul edilmesine bakılmaksızın aynıdır.

Denk. (9.29) Michaelis-Menen denklemi olarak bilinir. Kinetik sabitleri değerlendirmek için (Km ve spesifik bir reaksiyon için, substrat konsantrasyonu, [5] zaman, t verisi deneysel olarak elde edilir. Bu şekilde elde edilen veriler çeşitli şekillerde çizilebilir (Şekil 9.20A, B'de gösterildiği gibi)., C ve D) Km ve Vm'nin kestirimi için Şekil 9.20A, B, C ve D, Michaelis-Menten denkleminin değiştirilmiş formlarına dayanmaktadır.

İnhibisyon Reaksiyonları:

Enzimatik reaksiyonlar çeşitli şekillerde inhibe edilebilir (geciktirilebilir). İnhibitörler, substrattan başka bazı kimyasal maddeler (I), substratın kendisi (yüksek konsantrasyonda) ve ürün (yüksek konsantrasyonda) olabilir. İnhibisyon reaksiyonları çeşitli şekillerde 'Rekabetçi Engelleme', 'Rekabetçi Engelleme', 'Rekabetçi Olmayan Engelleme', 'Alt Durumda Engelleme' ve 'Ürün Engelleme' olarak adlandırılmıştır.

Farklı inhibisyon reaksiyon tiplerinin sembolik gösterimi ve ilgili oran ifadeleri aşağıdaki gibidir:

Rekabetçi Engelleme:

[I] = inhibitör konsantrasyonu,

K1 = EI ayrışma reaksiyonu için denge sabiti.

Rekabetçi Engelleme:

Rekabetçi Olmayan Engelleme:

Yüzey Engelleme:

Ürün inhibisyonu:

buradaki K _p = PES ayrışma reaksiyonu için denge sabitidir. Burada, yukarıda belirtilen modellerin ve hız denklemlerinin, bazı ikincil reaksiyonlar nedeniyle enzim-substrat kompleks oluşum reaksiyonu için bazı enzim moleküllerinin bulunmaması nedeniyle inhibisyonun meydana geldiği öncülüne dayandığı belirtilmelidir.

Mikrobiyal Büyüme Süreci:

Mikropların karbon, oksijen, hidrojen, azot ve hücre bileşenlerinin sentezi için diğer bazı elementlere ihtiyacı vardır, bu da nihayet yeni hücrelerin çoğalmasına yol açar. Organizmalar, sentez reaksiyonlarını gerçekleştirmek ve üreme dışındaki faaliyetlerin sürdürülmesi için enerjiye ihtiyaç duyarlar.

Bakım enerjisi ihtiyacı, hareketlilik, osmoregülasyon, fagositoz, sitoplazmik akış, vb. Gibi hücre fonksiyonlarını yerine getirmek için gereken enerji anlamına gelir. Bakım enerjisi ayrıca, parçalanmış bileşenlerin değiştirilmesi için gereken bazı hücre bileşenlerinin sentezlenmesi için gereken enerjiyi de içerir. Bazı hücre bileşenleri, serbest enerjileri, sentezlendikleri orijinal yapı taşlarından daha yüksek olduklarından parçalanırlar.

Özel olarak hazırlanmış bir organik madde karışımı (bir ortam olarak adlandırılır), bazı organizma türleriyle (toplu işlemde olduğu gibi) aşılanırsa, bu karışımdaki mikrop popülasyonu, Şekil 9.21'de gösterilen tipik bir büyüme işleminden geçer. . Mikroplar için karbon kaynağı olarak görev yapan bir ortamda bulunan organik madde, substrat olarak adlandırılır.

Burada, herhangi bir zamanda bir ekosistemde bulunan toplam mikrop popülasyonunun 'canlı organizmalar' ve 'ölü organizmalar' olmak üzere iki gruptan oluştuğu belirtilmelidir. Canlı organizmalar üremeye muktedir, “ölü” olanlar yaşar fakat üreme yeteneğine sahip değildir. Üreme hariç her türlü aktiviteyi gerçekleştirmek için enerji kullanırlar.

Şekil 9.21, parti işlemi sırasında mikrop popülasyonu büyüme hızının farklı aşamalardan geçtiğini göstermektedir. Bunlar normal olarak Aşama I, II, III ve IV olarak adlandırılır.

Faz I 'gecikme fazı' olarak adlandırılır. Bu aşamada, organizmalar çevresi ile iklimlendirmek için zaman harcadıkça popülasyon (canlı hücrelerin) yavaşça artar.

Faz II 'log fazı' olarak bilinir, çünkü bu süre zarfında popülasyon ortam içinde mevcut substratı kullanarak katlanarak artar.

Faz III 'durağan faz' olarak bilinir. Bu süre zarfında, canlı hücrelerin popülasyonu, yeterli substratın bulunmamasından dolayı neredeyse statik kalır. Bu süre zarfında yeni hücrelerin üretim hızı, canlı hücrelerin ölü hücrelere dönüşüm oranları ile hemen hemen aynıdır. Bu aşamada, mevcut substrat esas olarak hücrelerin bakım enerji talebini karşılamak için kullanılır.

Faz IV 'bozunma fazı' olarak adlandırılır. Bu süre zarfında hiçbir substrat mevcut değildir. Hücreler, bakım enerji ihtiyaçlarını karşılamak için depolanmış yiyeceklerini metabolize eder. Aşamalı olarak, hücrelerin bazıları erimeye maruz kalır, yani, bakım enerjisini gereksinimlerini karşılamak için organik maddeleri geri kalan hücreye dağıtır ve böylece sağlar. Lizis, hücre 'çürümesi' olarak adlandırılan hücre popülasyonunda azalma ile sonuçlanır.

I. ila III. Aşamalar sırasında, bir ortam içinde mevcut olan substrat organizmaların büyüme ve / veya bakım enerji ihtiyacını karşılar. Bu süre dışsal dönem olarak adlandırılır. Faz IV sırasında, herhangi bir substratın yokluğunda, hücreler bazı hücrelerin parçalanması sonucu serbest kalan maddeleri olduğu gibi depolanmış yiyeceklerini de metabolize eder. Bu döneme endojen dönem adı verilir.

Kemoheterotrofik'in atık suyun biyolojik arıtımında büyük rol oynadığı daha önce belirtilmiştir. Maddelerini (biyosentez için) ve enerji ihtiyacını karşılamak için atık suda bulunan substratı (kirleticiler) kullanırlar. Mikropların buna nasıl ulaştığını açıklamak için iki alternatif hipotez öne sürülmüştür.

Bir hipoteze göre hücreler, organellerini sentezler ve substratı kullanarak endojen (besin) rezervi oluşturur. Sırayla, endojen rezervinin bir kısmı, hücrelerin bakım enerji ihtiyacını karşılamak için bozulmuştur.

Diğer hipoteze göre substrat, sentez ihtiyacını karşılamak ve aynı zamanda bakım enerji ihtiyacını karşılamak için kullanılır. Kavramsal ve mantıksal olarak bu hipotez daha gerçekçidir. Burada, eksojen periyodun sonunda bu hipoteze göre hücrelerin, endojen rezervinin pahasına bakım enerji ihtiyacını karşılayacağı belirtilmelidir.

Bu hipotez mantıklı olmasa da ilk hipoteze dayanan matematiksel bir model oluşturmak daha kolaydır. İkinci hipoteze dayanan matematiksel bir model, hem dışsal hem de dışsal süreçleri ve içsel işlem teriminin önem kazanacağı zamanla ilgili kriterleri temsil eden terimleri içermesi gerektiği için karmaşık bir model olacaktır.

Sürekli bir atık su arıtma işleminde, kirletici içeren (düşük veya neredeyse sıfır mikrop popülasyonu olan) bir etken madde, halihazırda farklı türlerde büyük bir mikrop popülasyonu içeren bir işlem ekipmanına (bir biyoreaktör) girmektedir. Bir atık su, biyoreaktörü biyobozunur kirleticilerden neredeyse tükenmiştir. Atık su, içerideki sudan daha fazla sayıda mikrop içerecektir.

Hücre sayısındaki bu artış, içeride bulunan kirletici kütlenin biyolojik olarak parçalanmasından kaynaklanmaktadır. Bozulan kirletici kütlenin bir kısmı yeni hücreleri çoğaltmak için kullanılırken, diğer kısmı hücrelerin enerji ihtiyacını karşılamaya gider. Hücrelerin enerji ihtiyacını karşılamak için ne kadar bozulan kirletici kütlenin ne kadarının kullanıldığını ölçmek imkansız değilse de çok zordur. Ancak, hücre kütlesi büyüme hızı ile kantitatif bir korelasyonun geliştirilmesi, kirletici kütle tükenme oranı çok mümkündür.

Atık su arıtma bakış açısına göre, kişi, uygun bir proses ekipmanı tasarlamak için kullanılabilecek şekilde, etkili bir akışta kirletici kütlenin genel tükenme oranı için bir ifade geliştirmekle ilgilenecektir.

Hücre Büyüme Kinetiği:

Hücreler, canlı hücrelerin ikili bölünmesiyle çoğalır. Bu nedenle, bir toplu işlem sırasında hücre (kütle) büyüme hızı (avcıların yokluğunda, hücre ölümü ve hücre çürümesi) herhangi bir zamanda bir biyoreaktördeki canlı hücrelerin konsantrasyonuna bağlı olacaktır. Olarak ifade edilebilir -

burada, rG, X _v = bir biyoreaktörün birim hacmi başına canlı hücrelerin (kütle) üretim hızı,

[X _V ] = herhangi bir anda canlı hücrelerin (kütle) konsantrasyonu ve

µ = Spesifik büyüme hızı sabiti.

Spesifik bir mikrop substrat kombinasyonu için | i'nin sayısal değeri bir biyoreaktördeki substrat konsantrasyonuna, mikro besin konsantrasyonuna, pH, sıcaklık vb.

Araştırmacılar, kontrollü pH, sıcaklık ve mikro besin konsantrasyonundaki deneysel deneylerine dayanarak, Denklem'de gösterildiği gibi substrat konsantrasyonunun [S] bir fonksiyonu olarak µ için genel bir korelasyon elde etmişlerdir. (9.36)

Μm ve Ks'nin sayısal değerlerinin, herhangi bir spesifik mikrop substrat sistemi için pH, sıcaklık ve mikro besin konsantrasyonuna bağlı olduğu bulunmuştur.

Denklem (9.36) Monod denklemi olarak bilinir. Enzimatik reaksiyon için olan Michaelis-Menten denklemi ile aynıdır. (9.29)].

Eşitliklerin birleşimi. (9.35) ve (9.36), Denk. (9.37)

Burada bir atık su arıtma ünitesinde karışık bir mikrop popülasyonunun ve çeşitli kirletici maddelerin (kimyasalların) mevcut olacağı belirtilmelidir. Böyle bir ünite için µ _m ve K _s, spesifik mikrop substrat sistemleri için literatürdeki verileri birleştirerek derlenemez. Her bireysel durum için Hm ve Ks deneysel olarak değerlendirilmelidir.

Atık suyun biyolojik arıtılması sırasında mevcut mikroplar, üreme için ve bakım enerjisi ihtiyaçlarını karşılamak için karbon kaynaklarını (substrat, yani biyolojik olarak çözünebilir organik bileşikler) kullanır. Aerobik koşullar altında, enerji üretim aşamaları nihai ürünler olarak C02 ve H20 üretecektir, oysa anaerobik koşullar altında reaksiyon ürünleri esas olarak C02 ve CH4 olacaktır.

Substratlar, enerji üretmenin yanı sıra hücre kütlesinin büyümesi için kullanıldığından, hücre büyümesinin kütle oranı, substrat kullanımınınkinden daha düşük olacaktır. İkisi arasındaki ilişki normal olarak

burada y, verim olarak adlandırılır, yani kullanılan substrat kütlesi başına üretilen canlı hücrelerin kütlesi kullanılır. Bir atık su akışı, kaçınılmaz olarak bir dizi organik bileşik (kirletici madde) içerdiğinden, substrat konsantrasyonunu [S], BOD veya COD cinsinden, mg ₀₂ / L biriminde ifade etmek ve konsantrasyonları cinsinden ifade etmek gelenekseldir. Mevcut bireysel kirleticiler.

Bakım enerjisinin sıfır olması gerektiğinde verim, y, maksimum değere sahip olacaktır. Böyle bir durumda y sembolü y ile gösterilir. Bakım enerjisi sıfır olsa bile, biyosentez (büyüme) prosesi enerjiye ihtiyaç duyduğundan, değerinden daha düşük bir değere sahip olacaktır. Y'nin sayısal değerinin, kullanılan alt tabakaya, konsantrasyonuna, kullanılan organizma türüne ve sıcaklık, pH, vb. Gibi çevresel faktörlere bağlı olduğu bulunmuştur.

Deneysel çalışmalar, atık su aerobik olarak arıtıldığında y'nin sayısal değerinin yaklaşık 0, 5 olduğunu göstermiştir. Ancak anaerobik arıtma koşullarında y'nin değerinin 0.1 civarında olduğu bulunmuştur.

Eşitleri Birleştirme. (9.35) ve (9.38) biri Denk. (9.39),

Biyolojik bir işlem sırasında birçok canlı hücrenin 'ölü' hale geldiği ve bazılarının parçalanma (bozulma) geçirdiği belirtilmelidir. Dolayısıyla, canlı hücrelerin net büyüme hızı-olarak ifade edilebilir.

Daha önce, herhangi bir sistemde bulunan mikropların 'uygulanabilir' ve 'ölü' olmak üzere iki türden bahsedildiği belirtildi. Herhangi bir anda toplam hücre popülasyonunun (kütle) konsantrasyonu, o anda her türün konsantrasyonunun toplamı olacaktır,

[X] = toplam hücre kütlesinin konsantrasyonu.

Eksojen bir işlem sırasında toplam hücre kütlesinin değişim hızı için bir ifade Denklerin birleştirilmesiyle elde edilebilir. (9.40), (9.41) ve (9.42)

Biyokimyasal reaksiyonlar, temel olarak (hücre dışı) enzimler tarafından katalize edilen kimyasal reaksiyonlardır. Bu nedenle, spesifik hız sabitleri, örneğin, p, b ve y sıcaklığa bağlıdır. Sayısal değerleri sıcaklıktaki artışla artar. Sıcaklık bağımlılıkları Arrhenius tipi ilişkiyle gösterilebilir,

Ancak, sık sık ilişki ampirik olarak ifade edilir.

burada k ₀ ° C cinsinden ifade edilen f bazı baz sıcaklığına karşılık gelir ve k, t ° C çalışma sıcaklığına karşılık gelir. O'nun sayısal değerinin 1.03 ile 1.1 arasında değiştiği bulunmuştur. Genellikle 1, 08 olarak alınır.

Deneysel olarak değerlendirilen kinetik parametrelerin ( _m, Ks,, ve b) sayısal değerleri, substrat-organizma kombinasyonuna ve ayrıca belirli bir inceleme sırasında tutulan besin konsantrasyonuna, pH'a ve sıcaklığa bağlıdır.

Kolayca bozunabilen bir substrat için, µm'nin sayısal değerinin yüksek olduğu, oysa, çözünmesi zor olan bir substrat için, µm'nin değerinin düşük olduğu gözlenmiştir. Kolayca bozulabilir bir substrat durumunda Ks'nin sayısal değeri düşüktür ve parçalanması zor olan bir substrat için yüksektir. Karışık kültür aerobik atık su arıtma işlemleri için kinetik parametrelerin bazı tipik değerleri Tablo 9.6'da listelenmiştir.

Genellikle, b _v = _bd olduğu varsayılmaktadır.

Hem aerobik işlemler hem de anaerobik işlemler için uygulanabilir hücre kütlesi büyüme oranının Denklemi takip ettiği bulunmuştur. (9.37). Deneysel veriler, anaerobik işlemler için µm'nin, Tablo 9.6'da aerobik işlemler için listelenenlere kıyasla daha düşük ve Ks'nin daha yüksek olduğunu göstermektedir.