Forstå aktivert slam (II) – Hvordan holde mikroorganismer 'reproduktive'!

Forord: Det forrige dokumentet diskuterte opprinnelsen og den mikrobielle samfunnsstrukturen til aktivert slam. Dette dokumentet fokuserer på "hvordan holde mikroorganismer reproduktive." Vi vet alle at når miljøet er egnet for reproduksjon, går organismer (planter, dyr og mikroorganismer) naturlig inn i en reproduktiv tilstand; når miljøet forringes, slutter organismer å reprodusere seg. Hvis vi bruker menneskelig «reproduktiv lyst» som en analogi, står unge mennesker i dag overfor tre store utfordringer: utdanning, helsevesen og bolig. Disse tre aspektene påvirker i betydelig grad deres vilje til å få barn. Mikroorganismer har selvfølgelig ikke så mange krav, og de trenger heller ikke biler eller hus. Så lenge vannmiljøet oppfyller kravene til temperatur, oppløst oksygen, pH og næringsstoffer, kan de vokse raskt!

Mikroorganismer har sin egen vekstkurve, og vekstprosessen deres endres med tilgjengeligheten av næringsstoffer. I et definert miljø, upåvirket av eksterne faktorer, samsvarer vekstkurven for mikroorganismer med diagrammet nedenfor. Vekstprosessen inkluderer fire stadier: tilpasning (justeringsstadium), logaritmisk vekststadium, retardasjonsvekststadium og endogen respirasjon. Når mikroorganismer kommer inn i et nytt miljø, er det en tilpasningsperiode der antallet forblir relativt stabilt.

Slamvekstkurve (dvs. mikrobiell vekstkurve)

Konsentrasjonen av mikroorganismer har en startverdi, som representerer mengden slam som tilføres under den første oppstarten av den biologiske rensetanken. Over tid øker slamkonsentrasjonen gradvis. Generelt kan slamkonsentrasjonen i en aerob biologisk behandlingstank holdes mellom 3000-5000 mg/L. Slamkonsentrasjonen avhenger av BOD-konsentrasjonen til tilløpet; jo høyere BOD-konsentrasjon, jo høyere slamkonsentrasjon kan opprettholdes.

I faktisk biologisk rensetankdrift opprettholdes slamkonsentrasjonen mellom retardasjonsvekstfasen og den endogene respirasjonsfasen. Det kan sees at slamkonsentrasjonen varierer avhengig av driftsformen til den biologiske rensetanken.

Ved vanlig lufting, også kjent som pluggstrømslufting, avtar forurensningene gradvis under fremdriftsprosessen, og slamveksten kontrolleres under retardasjonsvekstfasen. Noen vil kanskje spørre, hvordan kontrolleres dette? Dette oppnås gjennom slamresirkulering og slamfjerningstiltak!

Fullstendig blanding betyr at alle deler av den biologiske behandlingstanken fungerer under de samme forholdene (f.eks. forurensningskonsentrasjon, pH, oppløst oksygen osv.). Intermitterende drevne biologiske renseprosesser (som SBR-prosessen nevnt tidligere) kan generelt oppnå dette godt, og slamtilstanden kontrolleres under retardasjonsvekstfasen.

Utvidet lufting (SRT) bruker en svært lav volumetrisk belastningshastighet i designet, noe som resulterer i en relativt lav slamkonsentrasjon i den biologiske behandlingstanken. Denne prosessen opererer i den endogene respirasjonsfasen av vekstkurven, og krever en lav organisk belastningshastighet og en lang luftingstid, typisk 20-30 dager for SRT og 24 timer for HRT. Denne prosessen bruker vanligvis ikke en primær sedimentasjonstank.

Konsentrasjonskurve for oppløst oksygen

Uten eksternt oppløst oksygentilskudd avtar det oppløste oksygenet i vannet gradvis som vist på figuren. Selvfølgelig må oppløst oksygen tilføres i den biologiske behandlingstanken for å opprettholde en relativt konstant verdi.

Forurensningskurve

BOD kan til en viss grad uttrykke konsentrasjonen av forurensninger i vannet (som nevnt tidligere er COD-verdier best brukt i tankvolumdesign). Over tid synker forurensningskonsentrasjonen til et utslippbart nivå.

Ved passende temperatur, tilstrekkelig oppløst oksygen og næringsstoffer, og fravær av hemmende stoffer, er den bestemmende faktoren som kontrollerer aktivert slamvekst forholdet F/M mellom mengden mat (organisk materiale i avløpsvann, også kjent som substrat) og mengden mikroorganismer (aktivert slam), som også påvirkes av faktorer som organets substratnedbrytningshastighet og nedbrytningshastigheten for oksygensubstratet, adsorpsjonsegenskaper til aktivert slam.

Tilpasningsstadiet (justeringsstadiet): Også kalt justeringsstadiet, dette er den innledende fasen av dyrking av aktivert slam. Mikroorganismer sprer seg ikke, men kvalitative endringer begynner å skje. Dette stadiet tilsvarer den innledende horisontale delen av vekstkurven i diagrammet og har generelt kort varighet. I de senere stadiene av tilpasningsstadiet har det mikrobielle enzymsystemet gradvis tilpasset seg det nye miljøet, individuell utvikling har nådd et visst nivå, celler begynner å dele seg og mikroorganismer begynner å reprodusere.

Logaritmisk vekststadium: Veksthastigheten for aktivert slam øker, F/M-forholdet er relativt stort, organisk substrat er rikelig, og aktivert slamaktivitet er høy. Mikroorganismer absorberer samtidig organisk substrat i høyeste hastighet og syntetiserer celler i høyeste hastighet, og oppnår spredning. På dette stadiet har det aktiverte slammet høy kapasitet til å fjerne organisk materiale, og slamveksten er ikke begrenset av næringsforhold men kun av mikrobiell konsentrasjon. Imidlertid har slammet dårlige flokkuleringsegenskaper, er vanskelig å sedimentere og har dårlig behandlingseffektivitet.

Senket vekststadium: Veksthastigheten for aktivert slam avtar, F/M-forholdet fortsetter å synke, og veksthastigheten begrenses av organiske næringsstoffer. Dette er det typiske driftsstadiet for aktivslamprosessen. På dette stadiet kan organisk materiale i avløpsvannet i stor grad fjernes, og slammet har gode flokkulerings- og setningsegenskaper.

Endogent metabolismestadium: Næringsstoffene er stort sett oppbrukt. Ute av stand til å skaffe tilstrekkelig med næringsstoffer, begynner det aktiverte slammet å utnytte sitt interne lager, dvs. det er i selv-oksidasjonsstadiet. På dette stadiet har slammet høy grad av uorganisering og gode sedimenteringsegenskaper, men dårlig flokkulering, og slammet avtar gradvis. Men siden restene av endogen respirasjon for det meste er vanskelig-å-degradere cellevegger og cytoplasma, kan ikke det aktiverte slammet forsvinne helt.

Mange faktorer kan påvirke mikrobiell vekst, inkludert næringsstoffer, temperatur, pH, oppløst oksygen og giftige stoffer. Selvfølgelig har forskjellige typer mikroorganismer forskjellige toleranseområder for disse faktorene. Vanlige typer mikroorganismer i aktivert slam inkluderer aerobe bakterier (en bred kategori, som omfatter mange underkategorier som nitrifiserende bakterier), hydrolytiske bakterier, fermenterende bakterier, hydrogenbakterier, eddiksyrebakterier, metanogener, sulfat-reduserende bakterier og anaerobe protozoaerobe. Derfor, så lenge disse faktorene holdes innenfor normale områder, kan rask mikrobiell vekst oppnås.

Næringsstoffer
Under livsaktivitetene til mikroorganismer må de kontinuerlig absorbere essensielle næringsstoffer fra den omkringliggende vannforekomsten, inkludert: karbonkilder, nitrogenkilder, uorganiske salter og visse vekstfaktorer. Avløpsvannet som skal renses må inneholde tilstrekkelige mengder av disse stoffene.

Karbon er en viktig strukturell komponent i mikrobielle celler. Mikroorganismer involvert i aktivert slambehandling har et relativt høyt karbonkildebehov, vanligvis ikke mindre enn 100 mg/L (beregnet som BOD5).

Nitrogen er et viktig element i sammensetningen av proteiner og nukleinsyrer i mikrobielle celler. Nitrogenkilder kan komme fra uorganiske nitrogenforbindelser som N2, NH3 og NO3, samt organiske nitrogen-holdige forbindelser som proteiner og aminosyrer.

Fosfor er et essensielt element for syntesen av nukleoproteiner, lecitin og andre fosforforbindelser, og spiller en avgjørende rolle i mikrobiell metabolisme og materialtransformasjon. Koenzym I, koenzym II og adenosinmonofosfat (ATP) inneholder alle fosfor. Mikroorganismer henter først og fremst fosfor fra uorganiske fosforforbindelser. Utilstrekkelige fosforkilder vil påvirke enzymaktiviteten, og dermed påvirke de fysiologiske funksjonene til mikroorganismer.

Generelt er forholdet mellom de tre hovednæringsstoffene (karbon, nitrogen og fosfor) BOD:N:P=100:5:1. I tillegg spiller sporstoffer som svovel, natrium, kalium, kalsium, magnesium og jern også viktige roller i vekstprosessen til mikroorganismer.

Oppløst oksygen

De mikrobielle artene som er involvert i avløpsvannbehandling er delt inn i aerobe og anaerobe arter, og driftstankene inkluderer aerobe tanker, anoksiske tanker, hydrolysetanker og anaerobe tanker. Basert på driftserfaring bør konsentrasjonen av oppløst oksygen i den aerobe tanken holdes mellom 2-4 mg/L. I hydrolyse- og anoksiske tanker, som er fakultative anaerobe miljøer, er en viss konsentrasjon av oppløst oksygen tillatt, vanligvis mellom 0,2-0,5 mg/L. Den anaerobe tanken er et strengt anaerobt miljø; for å sikre hydrolyse- og gjæringsprosessene er tilstedeværelse av oppløst oksygen ikke tillatt.

Oppløst oksygen er avgjørende for driften av avløpsrenseanlegg. Hvis det oppløste oksygenet i den aerobe tanken er for lavt, vil veksten av nitrifiserende bakterier og andre aerobe bakterier hemmes, mens filamentøse bakterier vil spre seg raskt, noe som fører til slambulking.

pH-verdi: De fysiologiske aktivitetene til mikroorganismer er nært knyttet til pH i miljøet. Mikroorganismer kan bare utføre normale fysiologiske aktiviteter under passende pH-forhold. Det optimale pH-området for mikroorganismer involvert i biologisk avløpsvannbehandling er vanligvis mellom 6,5 og 8,5. Ulike bakteriegrupper har ulike toleranseområder; hydrolytisk forsurende bakterier har et pH-område mellom 5,5 og 7,5, mens aerobe bakterier har et pH-område mellom 6,5 og 8,5.

Temperatur
Temperatur er avgjørende for mikrobiell vekst. De fleste mikroorganismer som er involvert i aktivert slambehandling er termofile, med et optimalt temperaturområde på 10-45 grader. For å sikre riktig drift holdes vanntemperaturen i den biologiske behandlingstanken vanligvis mellom 15-35 grader; mikrobiell vekst avtar under 5 grader. Videre har anaerobe bakterier en mye høyere temperaturtoleranse enn aerobe bakterier, så de fleste anaerobe tanker er utstyrt med isolasjons- og varmeinnretninger.

Giftige stoffer
"Giftige stoffer" refererer til visse uorganiske og organiske stoffer som hemmer de fysiologiske aktivitetene til mikroorganismer. Disse inkluderer hovedsakelig tungmetallioner (som sink, kobber, nikkel, bly, krom, etc.) og noen ikke-metalliske forbindelser (som fenoler, aldehyder, cyanider, sulfider osv.). De giftige effektene av giftige stoffer på mikroorganismer er kvantitative; toksisitet og hemming blir først synlig når det giftige stoffet når en viss konsentrasjon i miljøet. Så lenge konsentrasjonen av ulike giftige stoffer i avløpsvannet er under dette nivået, påvirkes ikke mikroorganismenes fysiologiske funksjoner.

Mikrobiell fjerning og nedbrytning av forurensninger er hovedsakelig avhengig av to prosesser: adsorpsjon og metabolisme (assimilering og dissimilering).

Adsorpsjonsprosess: I løpet av kort tid etter at avløpsvann kommer i kontakt med og blandes med aktivert slam, har organiske forurensninger i vannet en høy fjerningshastighet. Dette innledende fenomenet med høy-fjerning er resultatet av en kombinasjon av fysisk og biologisk adsorpsjon. Under denne prosessen avtar det organiske substratet i blandingsvæsken raskt. Dette er fordi det aktiverte slammet har et stort overflateareal og er beriket med et stort antall mikroorganismer på overflaten, dekket av et polysakkaridrikt -viskøst lag. Når suspenderte og kolloidale organiske substrater i avløpsvannet kommer i kontakt med de aktiverte slamflokkene, blir de raskt koagulert og adsorbert, et fenomen kjent som "initial adsorption".

Den første adsorpsjonsprosessen går veldig raskt, vanligvis fullført innen 30 minutter. Adsorpsjonsfjerningsgraden for avløpsvannets BOD kan nå 70 %, og for avløpsvann som inneholder en stor mengde suspendert og kolloidalt organisk materiale, kan BOD reduseres med 80 %–90 %. Den initiale adsorpsjonshastigheten avhenger først og fremst av aktiviteten til mikroorganismene og graden av hydraulisk diffusjon og hydraulisk dynamikk i reaktoren. Førstnevnte bestemmer adsorpsjons- og flokkuleringseffektiviteten til de aktiverte slammikroorganismene, mens sistnevnte bestemmer graden av kontakt mellom aktivslamflokkene og det organiske substratet.

Metabolsk prosess: Organiske forurensninger adsorbert på overflaten av aktivert slam mikrobielle celler metaboliseres. Oppløst og lite-molekylært organisk materiale trenger direkte gjennom celleveggen inn i cellen under påvirkning av permeabiliserende enzymer, hvor det gjennomgår metabolisme. Kolloidalt og suspendert organisk materiale med stor-molekyl, som stivelse og protein, hydrolyseres først til oppløste små molekyler av ekstracellulære enzymer-hydrolaser-før de kommer inn i cellen. En gang inne i cellen blir organiske forurensninger gradvis oksidert og dekomponert til stabile uorganiske produkter, som CO2 og H2O, under katalyse av ulike intracellulære enzymer, og frigjør energi for cellesyntese. I denne prosessen omdannes organisk materiale til enkle, stabile uorganiske stoffer gjennom biokjemiske reaksjoner, og oppnår forurensningsfjerning.