Biotechnologia

ścieków

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Kontakt:

[e-mail]

Sposób zaliczenia:

Ocena końcowa = 2/3 oceny z egzaminu + 1/3

oceny z laboratorium

Pozytywną ocenę z egzaminu wolno poprawiać

jeden raz.

Ocena niedostateczna z egzaminu jest brana

pod uwagę przy liczeniu oceny końcowej z
wyjątkiem oceny niedostatecznej uzyskanej z
egzaminu zerowego.

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Literatura do wykorzystania:
1. Janusz Łomotowski, Adam Szpindor: Nowoczesne

systemy oczyszczania ścieków, Arkady, Warszawa, 1999.

2. Mogens Henze, Poul Harremoës, Jes la Cour Jansen, Eric

Arvin: Oczyszczanie ścieków procesy biologiczne i

chemiczne, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej,

Kielce 2000.

3. Metcalf & Eddy: Wastewater Engineering treatment,

disposal, and reuse, McGraw – Hill, third edition 1991 i

późniejsze wydania

4. Mieczysław K. Błaszczyk: Mikroorganizmy w ochronie

środowiska, PWN, Warszawa, 2007.
Inne podręczniki oraz publikacje naukowe

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Zakres wykładów:

Hydroliza związków wielkocząsteczkowych,
Beztlenowe oczyszczanie ścieków
Nitryfikacja, denitryfikacja, beztlenowa

deamonifikacja (Anammox)

Biologiczna defosfatacja,
Przemiany związków siarki w oczyszczaniu

ścieków

Unieszkodliwianie osadów ściekowych

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Zakres laboratorium:

(4 godziny tygodniowo)
1.

Zajęcia organizacyjne (podział na sekcje,

BHP)
2.

Charakterystyka ścieków I

3.

Charakterystyka ścieków II

4.

Oczyszczanie ścieków w złożu wieżowym

5.

Oczyszczanie ścieków w złożu tarczowym

6.

Oczyszczanie ścieków w reaktorze

pełnego wymieszania

7.Właściwości sedymentacyjne osadu czynnego
8.Oczyszczanie ścieków w reaktorach membranowych
9.Reaktor SBR I; usuwanie związków organicznych
10. Reaktor SBR II; usuwanie zawiązków azotu

(nitryfikacja)

11. Reaktor SBR III; usuwanie związków fosforu i azotu
(denitryfikacja)
12. Zajęcia przeznaczone na odrabianie zajęć

laboratoryjnych

13. Kolokwium zaliczeniowe
14. Zaliczenie

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

A

B

C

E

D

G

F

A – zanieczyszczenia
doprowadzane,

B –zanieczyszczenia
zatrzymane na powierzchni
mikroorganizmów,

C – zanieczyszczenia
odprowadzane z
oczyszczonymi ściekami,

D – zanieczyszczenia utlenione
do CO

2

, H

2

O i innych

produktów końcowych,

E – zanieczyszczenia
asymilowane w postaci
przyrostu biomasy,

F – autooksydacja
mikroorganizmów do CO

2

, H

2

O

i innych produktów
końcowych,

G – nadmiar mikroorganizmów

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

W ściekach większość związków organicznych

występuje w formie koloidalnej i zawiesiny. W

surowych ściekach bytowo-gospodarczych

stanowią one aż 60 – 70% ładunku

zanieczyszczeń organicznych. Po osadniku

wstępnym stanowią 40 – 50% związków

organicznych.
Stałe cząsteczki organiczne są szybko

sorbowane przez kłaczki osadu czynnego, ale

ich rozkład jest wolny. Umożliwia go hydroliza,

która czyni je dostępnymi dla mikroorganizmów.

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Hydroliza jest jednym z
najwolniejszych procesów w
oczyszczaniu ścieków.
Hydrolazy są enzymami
katalizującymi proces hydrolizy.
Przecinają wiązania wstawiając
cząsteczki wody.

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

enzym rozkładający wielocukry

O

O

O

n

O

O OH

O

O

O

O

O

O OH

O

O

Duże cząsteczki wielocukrów są rozkładane do
pojedynczych cukrów lub do mniejszych
cząsteczek.

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

enzymy
zewnątrzkomórkowe

enzymy związane z
powierzchnią
komórki

Gdy konkurenci mogą
przejąć produkty
hydrolizy

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Hydrolazy to np.: lipazy, fosfatazy,

proteazy, celulazy.
Najszybciej hydrolizowane są białka,

potem tłuszcze, a następnie węglowodany.
Skład cząstek zawiesiny oraz rozmiar

cząstek mają wpływ na szybkość hydrolizy.

Małe cząsteczki są hydrolizowane szybciej

niż duże.
Szybkość hydrolizy zależy też od

akceptora elektronów oraz od sił

ścinających.

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Nie ma jednego, uniwersalnego
sposobu ilościowego opisu
szybkości hydrolizy. Do opisu
hydrolizy wykorzystywane są:
kinetyka reakcji pierwszego rzędu,
kinetyka reakcji zależna od
powierzchni,
kinetyka reakcji drugiego rzędu.

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Kinetyka pierwszego rzędu przy stałym pH i

stałej temperaturze:

dF/dt = -K

H

F

F – stężenie substratu (stałych cząsteczek

organicznych), kg/m

3

;

t – czas, dni;
K

H

– stała szybkości hydrolizy, 1/dzień.

Różne wartości K

H

z powodu zmiennego

rozkładu rozmiaru cząstek.

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Ponieważ kinetyka hydrolizy opisana

równaniem reakcji pierwszego rzędu nie
bierze pod uwagę powierzchni substratu,
wielkość stałej hydrolizy nie może być
ekstrapolowana na inne podobne
substraty jeśli rozkład wielkości
cząsteczek jest nieporównywalny. Wtedy
przy wykorzystywaniu modelu reakcji
pierwszego rzędu stała hydrolizy musi
być wyznaczana eksperymentalnie dla
każdego substratu.

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Kinetyka reakcji limitowanej

powierzchnią

Cząsteczki substratu są całkowicie pokryte

bakteriami, które wydzielają enzymy.

Ponieważ enzymy są obecne w

nadmiarze, szybkość hydrolizy jest stała

w przeliczeniu na jednostkę powierzchni

dostępną dla hydrolizy.

Stała hydrolizy jest niezależna od rozmiaru

cząsteczki substratu.

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

dM/dt = - K

sbk

A

M – masa substratu, kg;
t – czas, dni;
K

sbk

– stała hydrolizy (zależnej od

powierzchni), kg/m

2

dzień;

A – powierzchnia dostępna dla

hydrolizy, m

2

.

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Bardzo często zakłada się, że

cząsteczki mają kształt kulisty i są
rozkładane od zewnątrz. Wtedy
masa całkowita przyjmuje wartość:

4πR

3

nρ/3 gdzie n – liczba cząsteczek,

ρ – gęstość cząsteczek,

a całkowita powierzchnia 4πnR

2

.

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Po podstawieniu do równania dM/dt = - K

sbk

A

Zmniejszenie średniego promienia w czasie

można opisać następująco:

R

t

= R

0

– K

sbk

t/ρ,

R

t

– średni promień cząsteczki po czasie t, m;

R

0

- średni promień cząsteczki w czasie t = 0,

m.

Model ten pozwala ocenić zmiany w rozkładzie

wielkości cząstek w trakcie hydrolizy.

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Założenie dodatkowe, to, że liczba cząsteczek się

nie zmienia i są one całkowicie

biodegradowalne.

Jeżeli cząsteczki w trakcie hydrolizy rozpadają się

na mniejsze, to teoretycznie wzrasta

powierzchnia i rośnie szybkość hydrolizy.

Praktyka wykazuje jednak, że szybkość hydrolizy

maleje wraz z wydłużaniem czasu hydrolizy i

rozpad cząsteczek nie generuje wzrostu

powierzchni dostępnej dla hydrolizy ponieważ

mniejsze cząsteczki składają się z substancji

słabiej biodegradowalnej.

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Wzrost mikroorganizmów osadu czynnego limitowany substratem

r = µ ·
X

µ =
µ

m

S

K

s

+

S

r
=

µ

m

· S ·

XK

s

+

S

r – szybkość wzrostu
mikroorganizmów, g sm/
l·s,

µ - specyficzna szybkość
wzrostu, d

-1

,

X- zawartość biomasy, g
sm/l,

µ

m

– maksymalna

specyficzna szybkość
wzrostu, d

-1

,

K

s

– stała saturacji dla

danego substratu, mg/l,

S – stężenie substratu
limitującego wzrost
mikroorganizmów, mg/l,

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

r = -Y · r

s

Y – współczynnik

przyrostu biomasy,
g sm/ g BZT

5,

r

s

– szybkość zużycia

substratu, mg/l·s,
r – szybkość wzrostu

mikroorganizmów,
g sm/ l·s,

r

s

=

-

r

Y

=
-

µ

m

· S ·

X

Y · (K

s

+

S)

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

W osadzie czynnym można zastosować wzór

zaproponowany przez Stenstroma, odnoszący
się do szybkości przyrostu aktywnej biomasy
na zawiesinie organicznej :

r

s

fs

r

s

m

a

a

x

x

K

x

x

dt

dx

x

/

/

1







X

a

– zawartość

aktywnej biomasy, mg
smo/l,

X

s

– „stężenie”

pobranego substratu,
mg smo/l,

X

r

– zawartość

zawiesiny organicznej,
mg smo/l,

µ

m

- maksymalna

specyficzna szybkość
wzrostu, d

-1

,

K

fs

- stała saturacji dla

danego substratu,

X

r

= X

p

+ X

b

X

p

– zawiesina organiczna, mg smo/l,

X

b

– biomasa w reaktorze, mg smo/l

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Modyfikacja równania uwzględniająca kinetykę
hydrolizy limitowanej powierzchnią:

n

a

s

fs

n

a

s

m

a

a

X

X

K

X

X

dt

dX

X

/

/

1







n –
współczynnik,
zależny od
stosunku
objętości
komórki do jej
powierzchni

Założenia:

n = 1,

X

s

= X

pd

„stężenie” zawiesiny

organicznej ulegającej
biodegradacji, mg smo/l

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Równanie można
przekształcić zgodnie z
zależnością:

r = -Y · r

s

a

pd

fs

pd

m

pd

X

X

K

X

Y

dt

dX

/

1







Y - współczynnik
przyrostu
biomasy,
g sm/ g BZT

5

Z równania tego można wyprowadzić wzór
dla kinetyki pierwszego rzędu. Jeśli X

pd

/X

a

«

K

fs

, to wyrażenie to można pominąć i wzór

przybierze postać:

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

fs

pd

m

pd

K

X

Y

dt

dX



1



Wielkość stała –
stała szybkości
hydrolizy – K

p

’

,

1/dzień

pd

p

pd

X

K

dt

dX

'





Równanie przybiera
postać:

K

p

’

– zależy od

zawartości
biomasy

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Zaproponowano wprowadzenie specyficznej
stałej szybkości hydrolizy K

p

= K

p

’

/X

a

, 1/mg

dzień.

Równanie przybiera wówczas postać:

a

pd

p

pd

X

X

K

dt

dX





Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Degradowalna część
zawiesiny X

pd

w reaktorze o

przepływie ciągłym

t

X

f

X

X

p

nd

p

pd



0





f

nd

– nie ulegająca biodegradacji frakcja

zawiesiny w dopływie,

θ – wiek osadu, dni,

X

p

0

– zawartość zawiesiny organicznej w

dopływie, mg smo/l

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Aktywna biomasa w reaktorze o
przepływie ciągłym



b

X

X

b

a

2

,

0

1

8

,

0





X

b

– zawartość biomasy w reaktorze, mg

smo/l,

b – współczynnik rozkładu biomasy na
skutek endogennej respiracji
(autooksydacji), 1/dzień

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Aktywna biomasa w reaktorze
okresowym (wprowadzona do reaktora
okresowego z reaktora o przepływie
ciągłym)

)

(

2

,

0

1

8

,

0

0

t

b

X

X

b

a









X

b

– zawartość biomasy w reaktorze, mg

smo/l,

b – współczynnik rozkładu biomasy na
skutek endogennej respiracji
(autooksydacji), 1/dzień,

θ

0

– wiek osadu, przy którym biomasa

powstała w reaktorze o przepływie
ciągłym, dni

Hydroliza związków

wielkocząsteczkowych

Szybkość rozkładu biomasy

a

b

bX

dt

dX





)

(

2

,

0

1

8

,

0

0

t

b

X

b

dt

b

dX

b











stąd

Równanie to pozwala wyznaczyć
wartość współczynnika b