Trattamento secondario delle acque reflue (con diagramma)
Leggi questo articolo per conoscere il trattamento secondario delle acque reflue.
Il trattamento secondario è noto anche come trattamento biologico. È in grado di abbattere sostanze organiche disciolte e / o sospese biodegradabili. Per trattamento secondario è anche possibile rimuovere composti azotati e fosforo disciolti da una corrente di acque reflue.
Sostanze organiche soggette a degradazione in presenza di microrganismi (i microbi, che sono onnipresenti) sono definiti come sostanze biodegradabili. I microrganismi producono enzimi (sostanze proteiche complesse) che fungono da catalizzatori per i processi di biodegradazione. Questi processi avvengono attraverso una serie di reazioni, che sono indicate come percorsi biochimici.
Le reazioni possono avvenire in presenza di ossigeno disciolto. Questi sono indicati come reazioni aerobiche (processi). Alcune reazioni avvengono in totale assenza di ossigeno. Questi sono definiti processi anaerobici / obbligatori anaerobici. Le reazioni che si verificano in condizioni aerobiche sarebbero diverse da quelle in condizioni anaerobiche.
Ci sono alcuni microbi, che sono in grado di svolgere reazioni biologiche sia in condizioni aerobiche che anaerobiche. Questi microbi sono indicati come microbi facoltativi e i processi sono definiti come facoltativi.
Per il trattamento biologico delle acque reflue contenenti sostanze organiche (disciolte e / o sospese) viene utilizzata una serie di microbi e le condizioni mantenute possono essere sia aerobiche che anaerobiche. Per una migliore comprensione di questi processi è necessario acquisire familiarità con le caratteristiche di base dei diversi tipi di microbi, che sono brevemente discussi di seguito.
Fondamenti di microbi:
Prima dell'invenzione del microscopio, gli esseri viventi erano classificati in due gruppi, vale a dire piante e animali. Le piante sono immotili, mentre gli animali sono mobili. Dopo l'invenzione dei microbi microscopici / microrganismi è diventato visibile. Hanno le caratteristiche di base degli esseri viventi, cioè sono in grado di riprodursi, ma strutturalmente sono diversi dalle macro-piante e dagli animali. I microscopici esseri viventi sono definiti come protisti.
I protisti hanno una struttura relativamente semplice. Possono essere unicellulari o multicellulari. Anche nelle cellule multicellulari, le cellule non sono internamente diverse e quelle non sono organizzate come tessuti. Le macro-piante e gli animali hanno i tessuti, che svolgono funzioni diverse. Le classificazioni dei Protisti sono riportate nella Tabella 9.3.
Le Figure 9.19A e 9.19B mostrano strutture tipiche di cellule procariote ed eucariote.
Oltre ai protisti ci sono alcune particelle vitali sub-microscopiche conosciute come virus. Questi sono visibili solo al microscopio elettronico. La loro dimensione varia tra 0, 02-0, 08 pm. Fondamentalmente sono o un DNA o un RNA circondato da un guscio di proteine. Sono incapaci di riprodursi da soli. Infettano le cellule ospiti e le inducono a replicarsi e quindi a produrre più virus.
I procarioti:
I procarioti sono unicellulari e solitamente hanno un diametro inferiore a 5 μm. Hanno una struttura molto semplice e sono delimitati da una membrana. La maggior parte di loro ha pareti cellulari rigide. Dentro una gabbia c'è un nucleo e un citoplasma. Il nucleo non è separato dal citoplasma da una membrana. Gli enzimi che prendono parte alla respirazione e le reazioni fotosintetiche si trovano nella membrana cellulare o nella sua piegatura. I procarioti non sono fagotropici, cioè non possono assumere cibo.
Secernono enzimi idrolitici extracellulari, che idrolizzano le particelle organiche sospese e dissolvono le grandi molecole organiche in quelle più piccole. Idrolizzano le molecole più piccole, quindi entrano nelle cellule con vari meccanismi. I procarioti si muovono normalmente con l'aiuto di flagelli, che sono fibrilla elicoidali che sporgono attraverso la membrana cellulare, Fondamentalmente, ci sono due gruppi di procarioti, vale a dire alghe batteriche e blu-verdi.
batteri:
I batteri sono unicellulari. Le loro dimensioni variano tra 0, 2 e 2 μm. Sono classificati in tre gruppi: mixobatteri, spirochete e eubatteri. A seconda della loro forma, sono definiti cocchi (sferici), bacilli (come una verga) e spirilla (spirali).
I mixobatteri sono a forma di bastoncello, con pareti sottili e delicate. Si muovono facendo scorrere l'azione. Ottengono il loro cibo suddividendo (lecchino) altri organismi, come batteri, funghi, alghe, ecc. Le spirochete sono di forma elicoidale, con pareti delicate e flessibili. Ci sono relativamente lunghi rispetto alla loro larghezza. Vivono nel fango e nell'acqua e sono anaerobici. Alcuni sono parassiti.
eubatteri:
I batteri, diversi dai mixobatteri e spirochete, sono raggruppati come eubatteri. Le loro forme possono essere a forma di sferica o a spirale. Alcuni di loro hanno flagelli e sono mobili, mentre gli altri sono immotili. Sono stati classificati in base alle loro caratteristiche metaboliche ed energetiche. In generale, sono unicellulari, ma alcuni formano aggregati, mentre altri sono filamentosi.
Alghe blu verdi:
Possono essere unicellulari o multicellulari. Si moltiplicano per fissione binaria. I multi-cellulari sono filamenti di cellule identiche che si tengono insieme da un muro esterno comune. Una porzione breve di un filamento contenente poche cellule viene liberata e il filamento liberato cresce per divisione binaria delle cellule in un piano.
I filamenti unicellulari sono immotili mentre i filamenti multicellulari possono scivolare. Le alghe blu-verdi sono fotosintetiche. Il loro colore è generalmente blu-verde. Alcune specie hanno il colore rosso, viola, marrone e nero. Alcune specie possono fissare l'azoto atmosferico.
eucarioti:
Gli eucarioti hanno una struttura più complessa rispetto ai procarioti. Il loro diametro è più di 20 pm. Ogni cellula ha diversi organelli, come nucleo, mitocondri, reticolo endoplasmatico, apparato del Golgi, vacuolo, lisomi, ribosomi, cloroplasti, ecc. Ognuno di questi ha una funzione specifica. Ogni cellula ha una membrana cellulare esterna. Alcuni hanno pareti cellulari. Gli organelli interni sono delimitati da membrane.
Le cellule eucariotiche senza pareti cellulari mostrano un movimento ameboide dovuto al movimento citoplasmatico, chiamato flusso citoplasmatico. Quelli con pareti cellulari si muovono con l'aiuto di flagelli. Gli eucarioti sono stati classificati in tre gruppi: alghe, protozoi e funghi.
Alghe eucariotiche :
Questi possono essere unicellulari o multicellulari. Nelle cellule multicellulari le cellule non sono diverse l'una dall'altra. Sono fotosintetici, alcuni hanno pareti cellulari e quindi sono osmotropici. Quelli senza pareti cellulari ingeriscono organismi più piccoli fagotropicamente. Possono crescere in mezzi inorganici. Questi non sono importanti nel trattamento delle acque reflue.
Tuttavia, simbioticamente aiutano i batteri a produrre ossigeno durante la fotosintesi. La proliferazione delle alghe in presenza di sostanze nutritive inorganiche causa problemi durante la filtrazione man mano che il periodo di esecuzione diminuisce. Esistono sei gruppi principali di alghe eucariotiche, la maggior parte di essi ha flagelli, ad eccezione delle alghe rosse. Si differenziano dagli altri per colore dei pigmenti cloroplastici, composizione della parete cellulare e composizione alimentare di riserva.
Protozoi:
Questi sono unicellulari, non fotosintetici e mobili. Alcuni sono parassiti e l'altro è fagotrofico. Le maggioranze sono aerobiche e alcune sono anaerobiche. I fagotropici ingeriscono organismi più piccoli e materia organica. Il gruppo delle prede di suctoria sul protozoo. Aiutano nella bio-flocculazione.
I protozoi sono stati raggruppati in cinque gruppi principali: Mastigophora, Sarcodina, Sporozoa, Ciliate e Suctoria. Mastigophora hanno flagelli. Generalmente sono parassiti. Alcuni sono patogeni, altri no.
Sarcodina:
La principale modalità di movimento di questo gruppo è il movimento di tipo ameboide con l'aiuto di pseudopodi. Alcuni hanno flagelli. Alcuni sono fagocitari, mentre alcuni sono parassiti. L'ameba che causa dissenteria amebica negli esseri umani appartiene a questo gruppo. Gli sporozoi sono parassiti osmotropici. Alcuni sono immobili, mentre gli altri si muovono facendo scorrere l'azione. Non hanno alcun ruolo nel trattamento delle acque reflue. Sono patogeni.
ciliate:
Questo gruppo è importante nel trattamento delle acque reflue. Sono fagotropici. Hanno i capelli corti come proiezioni (Cilia). Con l'aiuto di Cilia si muovono e catturano il cibo. Esistono due sottogruppi, un tipo di nuoto libero e l'altro a pedigree.
Suctoria:
Possiedono Cilia nelle prime fasi del loro ciclo di vita. Più tardi sviluppano tentacoli. Con l'aiuto dei tentacoli preda di altri protozoi.
Fungo:
I funghi sono per lo più multinucleari e hanno una struttura nota come micelio. La maggior parte di loro sono aerobici, mentre alcuni sono anaerobici. Vivono su tutti i tipi di materia organica, anche su residui organici battericamente degradati. I gruppi principali sono: Phycomycetes, Ascomycota, Basidioniycetes e Fungi-Imperfecti. I lieviti sono funghi unicellulari. I funghi si riproducono sia in erba che per fissione binaria. Hanno alcune applicazioni industriali.
In generale i funghi non sono utili nel trattamento delle acque reflue. Oltre ai protisti, alcuni piccoli animali aerobici multicellulari eterotrofi noti come Rotifiers possono essere presenti nelle unità di trattamento delle acque reflue aerobiche. Hanno due serie di Cilia rotanti sulle loro teste. Quelli sono usati per la motilità e per catturare il cibo.
Interazione microbica nel trattamento delle acque reflue:
Per il trattamento delle acque reflue quasi sempre una comunità microbica con varie specie di organismi trova la sua strada in un'unità di trattamento. Questi organismi possono entrare in un'unità di trattamento dall'ambiente circostante e insieme all'acqua di scarico stessa. Molto spesso una parte della biomassa (microbi) prodotta durante il trattamento delle acque reflue viene riciclata all'unità di trattamento. Per l'abbattimento di un inquinante specifico a volte vengono aggiunti alcuni organismi specifici.
Le acque reflue invariabilmente contengono varie sostanze chimiche (inquinanti) e per la loro riduzione la presenza di diversi tipi di microbi è utile e talvolta essenziale. Questi organismi interagiscono l'uno con l'altro durante il processo.
La popolazione delle singole specie di microbi può subire cambiamenti con la variazione qualitativa e quantitativa delle caratteristiche di una corrente di acque reflue che entra in un'unità di trattamento, ma il sistema può avere una stabilità generale se nel sistema fosse presente un ampio spettro di microbi.
Tuttavia, se una comunità ristretta, cioè alcune specie selezionate, vengono utilizzate in una situazione di particolato, il sistema potrebbe subire facilmente agitazioni a causa delle variazioni di shock nel flusso / caratteristiche del flusso di acque reflue da trattare. Le interazioni tra le varie specie di microbi presenti in un sistema di trattamento delle acque reflue possono essere dei seguenti tipi: neutri, benevoli e antagonisti.
Interazione neutrale:
Quando le specie presenti in un ecosistema non usano lo stesso substrato (cibo), il loro fabbisogno ambientale è diverso e non utilizzano i prodotti metabolici ei sottoprodotti l'uno dell'altro, quindi l'interazione si dice che sia neutrale. In una comunità di microrganismi in qualsiasi ecosistema tale interazione è molto rara.
Interazione benevola:
In un ecosistema a volte un organismo aiuta un altro organismo nella sua attività metabolica o nel mantenere i propri requisiti ambientali e non si danneggiano a vicenda. Tale interazione tra gli organismi è indicata come interazione benevola.
Esistono due tipi di interazioni benevoli, ovvero Commensalismo e Mutualismo. A volte i prodotti metabolici o i sottoprodotti di un organismo sono usati da un altro organismo. Tale interazione tra due specie è definita come interazione del commensalismo.
Esempi di tali interazioni sono:
(1) Glucosio o fattore di crescita prodotto da un organismo utilizzato da altri organismi
(2) Fenolo (tossico per alcuni organismi) consumato da un organismo in un ecosistema in modo che gli altri organismi presenti nel sistema non possano essere danneggiati.
Quando gli organismi presenti in un ecosistema si aiutano reciprocamente, l'interazione viene definita mutualismo. Un esempio è l'interazione tra alghe e batteri in un'unità di trattamento aerobico. Le alghe durante la fotosintesi producono O 2, che aiuta i batteri aerobici nella loro attività metabolica. I batteri che producono CO 2 durante la respirazione aiutano le alghe nella fotosintesi.
Interazione antagonista:
A volte un tipo di organismo compete con un altro della stessa risorsa o un tipo impedisce la crescita di un altro o esiste una relazione predatore-preda tra due tipi di organismi. In tali situazioni l'interazione tra le specie si dice che sia antagonista.
Alcuni esempi di tipo antagonistico di interazioni sono:
(1) Batteri aerobici facoltativi e obbligatori che competono per l'ossigeno disciolto,
(2) alghe che producono O 2 durante la fotosintesi e quindi impediscono la crescita di anaerobi obbligati, e
(3) Protozoi che predano i batteri.
Fisiologia del Microbe:
Le cellule microbiche contengono circa l'80% di acqua. La porzione rimanente è costituita da C, O 2, H 2, N 2, P e S. Metalli come Na, K, Ca, Mg, Fe sono presenti anche nelle cellule microbiche. I costituenti C, O 2, H 2 e N 2 di una cellula sono spesso approssimate (su base senza ceneri) con la formula C 5 H 7 O 2 N. Per la sintesi (riproduzione) di nuovi microbi diversi da H 2 e O 2 (che può essere ottenuto dall'acqua) gli elementi principali richiesti sono C e N 2 .
Sono richieste quantità relativamente piccole di P e S e sono necessarie anche quantità molto piccole dei metalli sopra elencati. I microbi ottengono i vari costituenti per la loro riproduzione dal loro ambiente (ecosistema). I microbi hanno anche bisogno di energia per il loro movimento e per svolgere le loro attività metaboliche (cataboliche e anaboliche).
Le fonti dei componenti citati sopra richiesti per la riproduzione di microbi in un sistema di trattamento delle acque reflue sono:
N 2 Fonte:
Per la sintesi di proteine e acidi nucleici, i composti contenenti azoto devono essere aggiunti a un'unità di trattamento delle acque reflue se questi non sono presenti come costituenti degli inquinanti presenti.
O 2 Fonti:
Gli autotrofi usano CO 2 e H 2 O come sorgenti di O 2 . Gli eterotrofi usano composti organici contenenti ossigeno e H 2 O.
C fonte:
Gli autotrofi usano la CO 2 come fonte di carbonio, mentre gli eterotrofi usano composti organici come fonte di carbonio.
S Fonte:
Lo zolfo richiesto per la sintesi proteica è ottenuto da composti contenenti zolfo normalmente presenti nelle acque reflue.
P Fonte:
Il fosforo richiesto per la sintesi di acidi nucleici e fosfolipidi è ottenuto da fosfati inorganici e composti organofosforici normalmente presenti nelle acque reflue. Per il trasferimento di energia per il movimento e per l'attività metabolica sono necessari composti organofosforici ATP (adenosina trifosfato), ADP (adenosina di-fosfato) e AMP (adenosina monofosfato). Questi sono sintetizzati dai microbi che utilizzano fosforo (inorganico / organico) presente nelle acque reflue.
La classificazione dei microbi in base alle loro caratteristiche metaboliche ed energetiche è elencata nella Tabella 9.4.
Dalla tabella 9.4 è evidente che i chemioeterotrofi sono più utili per il trattamento delle acque reflue contenenti sostanze organiche. I fotoautotrofi sono di qualche utilità in quanto arricchiscono le acque di scarico con ossigeno disciolto, prodotto durante la fotosintesi.
I seguenti criteri sono utilizzati per la classificazione di chemoeterotrofo:
1. Il processo attraverso il quale soddisfano il loro bisogno energetico,
2. L'intervallo di temperatura in cui sono più attivi.
I chemioeterotrofi che usano O2 disciolto per ossidare i composti organici per produrre energia sono chiamati aerobi. Quelli che producono energia per decomposizione di composti organici (processi di fermentazione) in assenza di O 2 dissolto sono chiamati anaerobi. Esiste un terzo gruppo, che si comporta aerobicamente in presenza di ossigeno disciolto e anaerobicamente in assenza di ossigeno disciolto. Questo gruppo è chiamato microbi facoltativi. La classificazione di chemoeterotrofo secondo l'intervallo di temperatura in cui sono più attivi è riportata nella Tabella 9.5.
Le reazioni metaboliche ed energetiche, che sono svolte dal chemoeterotrofico, sono raggruppate come via catabolica, via anfibolica, via anaplerotica e via anabolica. Attraverso questi passaggi gli organismi ottengono la loro energia e sintetizzano composti come acidi nucleici, proteine, polisaccaridi, lipidi, ecc. E infine producono nuove cellule microbiche. Le attività specifiche svolte lungo i percorsi sopra indicati sono riassunte qui di seguito.
Itinerario catabolico:
Generalmente le attività cataboliche vengono svolte in due fasi. Nel primo stadio la materia organica sospesa presente nelle acque reflue viene solubilizzata e le molecole organiche disciolte più grandi vengono idrolizzate (sputate) in molecole più piccole. Enzimi extracellulari partecipano a queste reazioni. La quantità relativamente piccola di energia liberata durante questa fase non è disponibile per le cellule (microbi) poiché le reazioni si verificano all'esterno delle cellule. .
Durante la seconda fase dei processi catabolici le molecole organiche più piccole già prodotte si diffondono all'interno delle cellule. Ci sono ulteriori scissioni delle molecole diffuse e alcune reazioni di ossidazione. L'energia liberata durante questo passaggio è disponibile per le cellule.
Percorso anfibolico:
I materiali di partenza per queste reazioni sono i materiali (molecole) prodotti durante la seconda fase del processo catabolico. Come risultato delle reazioni anfiboliche, alcuni composti intermedi sono prodotti per la biosintesi e si verificano anche alcune reazioni di ossidazione.
Durante un processo aerobico i prodotti finali della reazione di ossidazione sono CO 2 e H 2 O. I prodotti di ossidazione durante un processo anaerobico sono CO 2 e alcune altre molecole organiche (non componenti per la biosintesi). Questi sono indicati come prodotti di fermentazione.
Percorso anaplerotico:
Gli intermedi prodotti durante il processo anfibolico non sono sufficienti per soddisfare la domanda totale dei processi di biosintesi. Quindi alcuni più intermedi sono prodotti da questa rotta.
Percorso anabolico:
Durante questo processo vengono successivamente polimerizzati gli intermedi prodotti dalla via anfibolica e dalla via anaplerotica e infine vengono prodotti i diversi componenti delle cellule. Alla fine porta alla produzione di nuove cellule. Va qui ricordato che tutte le attività (reazioni chimiche) che avvengono all'interno di una cellula sono catalizzate dall'enzima (complessi composti proteici).
Cinetica enzimatica:
Tutte le reazioni chimiche che avvengono all'interno delle cellule di microrganismi (intracellulari) o immediatamente all'esterno delle cellule (extracellulari) sono catalizzate da enzimi. Gli enzimi sono specifici della reazione, ovvero ciascun enzima è in grado di eseguire una reazione specifica utilizzando un substrato specifico (reagente).
Come i catalizzatori inorganici, gli enzimi possono essere avvelenati (inibiti) da alcune sostanze chimiche. Gli enzimi vengono anche colpiti a temperature più alte e condizioni di pH sfavorevoli, che possono essere dovute ad alcuni cambiamenti strutturali che si verificano in essi.
La cinetica delle reazioni enzimatiche è stata studiata da diversi scienziati. Hanno sviluppato equazioni di tasso basate sui loro modelli proposti. Alcuni di questi sono discussi qui di seguito. L'equazione di base è indicata come equazione di Michaelis-Menten.
Si presume che le reazioni enzimatiche in assenza di qualsiasi inibitore avvengano attraverso due fasi. Nella prima fase, una molecola di substrato (reagente) (S) si combina con una molecola di enzima (E) per formare un complesso enzima-substrato (ES). Questa reazione è considerata reversibile. Nella seconda fase, il complesso (ES) subisce una reazione irreversibile per cui la molecola dell'enzima viene liberata e si formano uno o più prodotti. Il processo complessivo può essere rappresentato come
Per la modellizzazione della reazione di formazione del complesso enzima-substrato sono state proposte due ipotesi. Secondo un'ipotesi, questa reazione raggiunge istantaneamente l'equilibrio. Secondo l'altro questa reazione raggiunge istantaneamente una condizione di 'stato pseudo-stazionario', cioè la velocità di formazione del complesso ES diventa uguale alla velocità di scomparsa del complesso dalla reazione inversa. L'equazione finale sviluppata per il tasso di scomparsa del substrato / la velocità di formazione del prodotto è identica indipendentemente da quale delle ipotesi sopra citate sono accettate.
Eq. (9.29) è noto come equazione di Michaelis-Menen. Per valutare le costanti cinetiche (K m e per una reazione specifica, la concentrazione del substrato, [5] rispetto al tempo, i dati t sono ottenuti sperimentalmente.I dati ottenuti possono essere tracciati in vari modi (come mostrato nelle Figure 9.20A, B, C & D) per la stima di K m e V m . Le Figure 9.20A, B, C e D sono basate sulle forme modificate dell'equazione di Michaelis-Menten.
Reazioni di inibizione:
Le reazioni enzimatiche possono essere inibite (ritardate) in vari modi. Gli inibitori possono essere alcune sostanze chimiche (I) diverse dal substrato, dal substrato stesso (ad alta concentrazione) e dal prodotto (ad alta concentrazione). Le reazioni di inibizione sono state variamente definite "inibizione competitiva", "inibizione non competitiva", "inibizione non competitiva", "inibizione sotto-stato" e "inibizione del prodotto".
La rappresentazione simbolica dei diversi tipi di reazioni di inibizione e le loro rispettive espressioni di velocità sono le seguenti:
Inibizione competitiva:
dove [I] = concentrazione di inibitori,
K 1 = costante di equilibrio per la reazione di dissociazione EI.
Inibizione non competitiva:
Inibizione non competitiva:
Inibizione substrato:
Inibizione del prodotto:
dove K p = costante di equilibrio per la reazione di dissociazione PES. Va qui sottolineato che i modelli e le equazioni di velocità sopra menzionate sono basati sulla premessa che l'inibizione si verifica a causa della non disponibilità di alcune molecole di enzima per la reazione di formazione del complesso enzima-substrato a causa di alcune reazioni secondarie.
Processo di crescita microbica:
I microbi hanno bisogno di carbonio, ossigeno, idrogeno, azoto e alcuni altri elementi per la sintesi di componenti cellulari, che alla fine porta alla riproduzione di nuove cellule. Gli organismi hanno bisogno di energia per svolgere le reazioni di sintesi e per il mantenimento di attività diverse dalla riproduzione.
Il fabbisogno energetico di manutenzione significa energia necessaria per svolgere funzioni cellulari, come motilità, osmoregolazione, fagocitosi, streaming citoplasmatico, ecc. L'energia di manutenzione include anche l'energia necessaria per sintetizzare alcuni componenti cellulari, necessari per la sostituzione dei componenti suddivisi. Alcuni componenti della cellula si rompono mentre le loro energie libere sono più alte rispetto a quelle dei blocchi di costruzione originali da cui sono sintetizzati.
Quando una miscela appositamente preparata di sostanze organiche (indicata come mezzo) viene inoculata (come accade in un'operazione discontinua) con alcune specie di organismi, quindi la popolazione di microbi in quella miscela passa attraverso un tipico processo di crescita come mostrato in Fig. 9.21 . La sostanza organica presente in un terreno, che funge da fonte di carbonio per i microbi, viene definita come substrato.
Va sottolineato qui che la popolazione totale di microbi presenti in un ecosistema in qualsiasi istante di tempo è composta da due gruppi, vale a dire "organismi vitali" e "organismi morti". Gli organismi vitali sono quelli che sono in grado di riprodursi mentre quelli "morti" sono vivi ma incapaci di riprodursi. Usano l'energia per svolgere tutti i tipi di attività tranne la riproduzione.
La Figura 9.21 mostra che il tasso di crescita della popolazione di microbi durante un'operazione discontinua passa attraverso diverse fasi. Questi sono normalmente indicati come Fasi I, II, III e IV.
La fase I è definita come la "fase di latenza". Durante questa fase la popolazione (delle cellule vitali) aumenta lentamente mentre gli organismi impiegano tempo ad acclimatarsi con il proprio ambiente.
La fase II è nota come "fase di log" poiché durante questo periodo la popolazione aumenta esponenzialmente utilizzando il substrato disponibile nel mezzo.
La fase III è conosciuta come "fase stazionaria". Durante questo periodo la popolazione delle cellule vitali rimane quasi statica a causa della non disponibilità di un substrato sufficiente. Il tasso di produzione di nuove cellule durante questo periodo è praticamente uguale al tasso di conversione di cellule vitali in cellule morte. Durante questa fase il substrato disponibile viene principalmente utilizzato per soddisfare il fabbisogno energetico di manutenzione delle celle.
La fase IV è definita come la "fase di decadimento". Nessun substrato è disponibile durante questo periodo. Le cellule metabolizzano il cibo immagazzinato per soddisfare il loro fabbisogno energetico di mantenimento. Progressivamente alcune cellule subiscono la lisi, cioè si disintegrano e quindi forniscono sostanze organiche alla cellula rimanente per soddisfare il loro fabbisogno energetico di mantenimento. La lisi si traduce in una diminuzione della popolazione cellulare, che viene definita "decomposizione" cellulare
Durante le fasi da I a III il substrato disponibile in un mezzo soddisfa la crescita e il fabbisogno energetico di mantenimento degli organismi. Questo periodo è definito come il periodo esogeno. Durante la fase IV, in assenza di qualsiasi substrato, le cellule metabolizzano il loro cibo immagazzinato e le sostanze liberate a seguito della lisi di alcune cellule. Questo periodo è indicato come periodo endogeno.
È stato detto in precedenza che il chemoeterotrofo gioca il ruolo principale nel trattamento biologico delle acque reflue. Utilizzano il substrato (inquinanti) presente nelle acque di scarico per soddisfare il loro materiale (per la biosintesi) e il fabbisogno energetico. Sono state postulate due ipotesi alternative per spiegare come i microbi ottengono ciò.
Secondo un'ipotesi le cellule sintetizzano i loro organelli e la riserva endogena (cibo) utilizzando il substrato. Sequenzialmente una parte della riserva endogena viene degradata per soddisfare il fabbisogno energetico di mantenimento delle cellule.
Secondo l'altra ipotesi, il substrato viene utilizzato per soddisfare i requisiti di sintesi e per soddisfare contemporaneamente il fabbisogno energetico di manutenzione. Concettualmente e logicamente questa ipotesi è più realistica. Va sottolineato qui che secondo questa ipotesi alla fine del periodo esogeno le cellule avrebbero soddisfatto il loro fabbisogno energetico di manutenzione a spese della riserva endogena.
È più facile formulare un modello matematico basato sulla prima ipotesi, anche se questa ipotesi non è logica. Un modello matematico basato sulla seconda ipotesi sarebbe complicato, in quanto deve contenere termini per rappresentare sia i processi esogeni e endogeni sia i criteri su quando il termine del processo endogeno acquisisce importanza.
In un processo di trattamento delle acque reflue continuo un inquinante contenente sostanze inquinanti (con una popolazione di microbi bassa o quasi nulla) entra in un pezzo di attrezzatura di processo (un bioreattore) che contiene già una grande popolazione di microbi di specie diverse. Un effluente lascia il bioreattore quasi esaurito degli inquinanti biodegradabili. L'effluente conterrebbe un numero maggiore di microbi rispetto a quello nell'influente.
Questo aumento nel conteggio delle cellule deriva dalla biodegradazione della massa inquinante presente nell'influente. Una parte della massa inquinante degradata viene utilizzata per riprodurre nuove cellule mentre l'altra parte va incontro al fabbisogno energetico delle cellule. È molto difficile, se non impossibile, quantificare la quantità di massa inquinante degradata utilizzata per soddisfare il fabbisogno energetico delle cellule. Ma lo sviluppo di una correlazione quantitativa del tasso di crescita della massa cellulare del tasso di esaurimento della massa inquinante è molto possibile.
Dal punto di vista del trattamento delle acque reflue si sarebbe interessati a sviluppare un'espressione per il tasso globale di esaurimento della massa inquinante in un flusso influente in modo che lo stesso possa essere usato per progettare un'apparecchiatura di processo adatta.
Cinetica di crescita cellulare:
Le cellule si moltiplicano per fissione binaria di cellule vitali. Quindi il tasso di crescita cellulare (di massa) (in assenza di predatori, morte cellulare e decadimento delle cellule) durante un'operazione discontinua dipende dalla concentrazione delle cellule vitali in un bioreattore in ogni istante di tempo. Può essere espresso come
dove, r G, X v = tasso di produzione di cellule vitali (massa) per unità di volume di un bioreattore,
[X V ] = concentrazione di cellule vitali (massa) in ogni istante, e
μ = costante tasso di crescita specifico.
Il valore numerico di | i per una combinazione specifica di substrati di microbi dipende dalla concentrazione del substrato, dalla concentrazione di micronutrienti, dal pH, dalla temperatura, ecc., In un bioreattore.
I ricercatori, sulla base dei loro studi sperimentali a pH controllato, temperatura e concentrazione di micronutrienti hanno ottenuto una correlazione generale per μ come funzione della concentrazione del substrato [S] come mostrato nell'Eq. (9.36)
Si è scoperto che i valori numerici di μm e K s dipendono dal pH, dalla temperatura e dalla concentrazione di micronutrienti per qualsiasi specifico sistema di substrato di microbi.
L'equazione (9.36) è nota come equazione di Monod. È simile nella forma a quella dell'equazione di Michaelis-Menten per la reazione enzimatica [Eq. (9.29)].
Combinazione di Eq. (9.35) e (9.36), risultati in Eq. (9.37)
Va sottolineato che in un'unità di trattamento delle acque reflue sarebbe presente una popolazione mista di microbi e una varietà di sostanze inquinanti (sostanze chimiche). Per tale unità, μ m e K s non possono essere compilati combinando i dati della letteratura per specifici sistemi di substrati di microbi. Per ogni singola situazione, H e K devono essere valutati sperimentalmente.
Durante il trattamento biologico delle acque reflue i microbi presenti utilizzano le fonti di carbonio (substrato, cioè composti organici biodegradabili) per la riproduzione e per soddisfare il fabbisogno energetico di manutenzione. In condizioni aerobiche le fasi di generazione di energia produrrebbe CO 2 e H 2 O come prodotti finali, mentre in condizioni anaerobiche i prodotti di reazione sarebbero principalmente CO 2 e CH 4 .
Poiché i substrati sono utilizzati per la crescita della massa cellulare e per produrre energia, il tasso di massa della crescita cellulare sarebbe inferiore a quello dell'utilizzo del substrato. La relazione tra i due è normalmente espressa come
dove y è definito come il rendimento, cioè la massa di cellule vitali prodotte per unità di massa del substrato utilizzato. Poiché un flusso di acque reflue contiene invariabilmente un numero di composti organici (inquinanti) è consuetudine esprimere la concentrazione del substrato, [S], in termini di BOD o COD in mg O 2 / L unità e non in termini di concentrazioni di i singoli inquinanti presenti.
La resa, y, avrebbe un valore massimo se l'energia di mantenimento dovesse essere nulla. In tale situazione y è rappresentato dal simbolo y g . Anche se l'energia di mantenimento fosse nulla, il valore sarebbe inferiore a uno dato che il processo di biosintesi (crescita) ha bisogno di energia. Si è scoperto che il valore numerico di y dipende dal substrato utilizzato, dalla sua concentrazione, dalla specie di organismo utilizzato e dai fattori ambientali come la temperatura, il pH, ecc.
Studi sperimentali hanno rivelato che il valore numerico di y è circa 0, 5 quando le acque reflue vengono trattate aerobicamente. Ma in condizioni di trattamento anaerobico il valore di y è stato trovato intorno a 0, 1
Sulla combinazione di Eq. (9.35) e (9.38) si ottiene l'Eq. (9.39),
Va notato che durante un processo biologico diverse cellule vitali diventano "morte" e alcune subiscono lisi (decadimento). Quindi il tasso netto di crescita delle cellule vitali può essere espresso come
È stato detto in precedenza che i microbi presenti in qualsiasi sistema sono di due tipi, vale a dire "vitali" e "morti". La concentrazione della popolazione cellulare totale (massa) in un dato istante sarebbe la somma della concentrazione di ciascun tipo in quell'istante,
dove, [X] = concentrazione della massa cellulare totale.
Un'espressione per il tasso di variazione della massa cellulare totale durante un processo esogeno può essere ottenuta combinando Eq. (9.40), (9.41) e (9.42)
Le reazioni biochimiche sono fondamentalmente reazioni chimiche catalizzate da enzimi (extra / intracellulari). Pertanto, le costanti di velocità specifiche, ad es. P, be sono dipendenti dalla temperatura. I loro valori numerici aumentano con l'aumento della temperatura. La loro dipendenza dalla temperatura può essere rappresentata dalla relazione di tipo Arrhenius,
Tuttavia, spesso la relazione è espressa empiricamente come
dove k 0 corrisponde ad una certa temperatura di base f 0 espressa in ° C e k corrisponde alla temperatura di esercizio t ° C. Il valore numerico di O è stato trovato nell'intervallo compreso tra 1, 03 e 1, 1. Generalmente è preso come 1, 08.
I valori numerici dei parametri cinetici valutati sperimentalmente, μ m, K s, Υ eb dipendono dalla combinazione substrato-organismo, così come la concentrazione di nutrienti, il pH e la temperatura mantenuti durante una particolare indagine.
È stato osservato che per un substrato facilmente degradabile il valore numerico di μ m è elevato, mentre, per un substrato che è difficile da degradare, il valore di μ m è basso. Il valore numerico di K s è basso nel caso di un substrato facilmente degradabile e alto per un substrato che è difficile da degradare. Alcuni valori tipici dei parametri cinetici per i processi di trattamento delle acque reflue aerobiche in coltura mista sono elencati nella Tabella 9.6
Generalmente, si assume che b v = b d .
È stato trovato che il tasso di crescita delle cellule vitali sia per i processi aerobici che per i processi anaerobici segue l'Eq. (9.37). Experimental data show that for anaerobic processes µ m is lower and K s is higher compared to those listed for aerobic processes in Table 9.6.
