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 uwagÄ™
przy liczeniu oceny końcowej z wyjątkiem oceny
niedostatecznej uzyskanej z egzaminu zerowego.
Hydroliza związków wielkocząsteczkowych
Literatura do wykorzystania:
1. Janusz A
omotowski, 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 póz
niejsze
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  zanieczyszczenia doprowadzane,
A
B  zanieczyszczenia zatrzymane na
B C
powierzchni mikroorganizmów,
C  zanieczyszczenia odprowadzane z
D E
oczyszczonymi ściekami,
G D  zanieczyszczenia utlenione do CO2,
H2O i innych produktów końcowych,
F
E  zanieczyszczenia asymilowane w
postaci przyrostu biomasy,
F  autooksydacja mikroorganizmów do
CO2, H2O 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 sÄ… enzymami katalizujÄ…cymi proces
hydrolizy. PrzecinajÄ… wiÄ…zania wstawiajÄ…c
czÄ…steczki wody.
Hydroliza związków wielkocząsteczkowych
O O O O
O O O
n
enzym rozkładający wielocukry
O O O
OOH OOH
O
Duże cząsteczki wielocukrów są rozkładane do pojedynczych
cukrów lub do mniejszych cząsteczek.
Hydroliza związków wielkocząsteczkowych
enzymy zewnątrzkomórkowe
Gdy konkurenci mogą przejąć
produkty hydrolizy
enzymy zwiÄ…zane z
powierzchnią komórki
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 sÄ…:
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 = -KHF
F  stężenie substratu (stałych cząsteczek organicznych),
kg/m3;
t  czas, dni;
KH  stała szybkości hydrolizy, 1/dzień.
Różne wartości KH z powodu zmiennego rozkładu rozmiaru
czÄ…stek.
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 powierzchniÄ…
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
czÄ…steczki substratu.
Hydroliza związków wielkocząsteczkowych
dM/dt = - KsbkA
M  masa substratu, kg;
t  czas, dni;
Ksbk  stała hydrolizy (zależnej od powierzchni),
kg/m2dzień;
A  powierzchnia dostępna dla hydrolizy, m2.
Hydroliza związków wielkocząsteczkowych
Bardzo często zakłada się, że cząsteczki mają
kształt kulisty i są rozkładane od zewnątrz.
Wtedy masa całkowita przyjmuje wartość:
4Ä„R3nÁ/3 gdzie n  liczba czÄ…steczek,
Á  gÄ™stość czÄ…steczek,
a całkowita powierzchnia 4ĄnR2.
Hydroliza związków wielkocząsteczkowych
Po podstawieniu do równania dM/dt = - KsbkA
Zmniejszenie średniego promienia w czasie można
opisać następująco:
Rt = R0  Ksbkt/Á,
Rt  średni promień cząsteczki po czasie t, m;
R0 - 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  szybkość wzrostu
mikroorganizmów, g sm/ l·s,
r = µ · X
µ - specyficzna szybkość wzrostu,
d-1,
X- zawartość biomasy, g sm/l,
µm · S · X
r =
µm  maksymalna specyficzna
Ks + S
szybkość wzrostu, d-1,
Ks  stała saturacji dla danego
S substratu, mg/l,
µ = µm
Ks + S S  stężenie substratu
limitujÄ…cego wzrost
mikroorganizmów, mg/l,
Hydroliza związków wielkocząsteczkowych
Y  współczynnik przyrostu
biomasy,
g sm/ g BZT5,
rs  szybkość zużycia
substratu, mg/l·s,
r = -Y · rs
r  szybkość wzrostu
mikroorganizmów,
g sm/ l·s,
µm · S · X
r
= -
rs = -
Y
Y · (Ks + S)
Hydroliza związków wielkocząsteczkowych
W osadzie czynnym można zastosować wzór zaproponowany przez
Stenstroma, odnoszący się do szybkości przyrostu aktywnej
biomasy na zawiesinie organicznej :X  zawartość aktywnej
a
biomasy, mg smo/l,
1 dxa µ xs / xr
m
Xs   stężenie pobranego
=
substratu, mg smo/l,
xa dt K + xs / xr
fs
Xr  zawartość zawiesiny
Xr = Xp + Xb
organicznej, mg smo/l,
Xp  zawiesina organiczna, mg smo/l,
µm - maksymalna specyficzna
szybkość wzrostu, d-1,
Xb  biomasa w reaktorze, mg smo/l
Kfs - stała saturacji dla
danego substratu,
Hydroliza związków wielkocząsteczkowych
Modyfikacja równania uwzględniająca kinetykę hydrolizy
limitowanej powierzchniÄ…:
n
n  współczynnik,
1 dX µ X / X
a m s a
zależny od stosunku
=
n
objętości komórki do
X dt K + X / X
a fs s a
jej powierzchni
Założenia:
n = 1,
Xs = Xpd  stężenie zawiesiny organicznej
ulegajÄ…cej biodegradacji, mg smo/l
Hydroliza związków wielkocząsteczkowych
Równanie można przekształcić zgodnie
z zależnoÅ›ciÄ…: r = -Y · rs
Y - współczynnik
przyrostu biomasy,
dX µ X
1
pd m pd
= g sm/ g BZT5
dt Y K + X / X
fs pd a
Z równania tego można wyprowadzić wzór dla kinetyki
pierwszego rzÄ™du. JeÅ›li Xpd/Xa « Kfs, to wyrażenie to
można pominąć i wzór przybierze postać:
Hydroliza związków wielkocząsteczkowych
Wielkość stała  stała
dX µ X
szybkości hydrolizy 
1
pd m pd
Kp , 1/dzień
=
dt Y K
fs
Równanie przybiera postać:
Kp  zależy od
dX
pd zawartości biomasy
'
= - K X
p pd
dt
Hydroliza związków wielkocząsteczkowych
Zaproponowano wprowadzenie specyficznej stałej
szybkości hydrolizy Kp = Kp /Xa, 1/mg dzień.
Równanie przybiera wówczas postać:
dX
pd
= - K X X
p pd a
dt
Hydroliza związków wielkocząsteczkowych
Degradowalna część zawiesiny Xpd
w reaktorze o przepływie ciągłym
¸
0
X = X - fnd X
pd p p
t
fnd  nie ulegająca biodegradacji frakcja zawiesiny w dopływie,
¸  wiek osadu, dni,
Xp0  zawartość zawiesiny organicznej w dopływie, mg smo/l
Hydroliza związków wielkocząsteczkowych
Aktywna biomasa w reaktorze o przepływie ciągłym
0,8Xb
X =
a
1+ 0,2b¸
Xb  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)
0,8Xb
X =
a
0
1+ 0,2b(¸ + t)
Xb  zawartość biomasy w reaktorze, mg smo/l,
b  współczynnik rozkładu biomasy na skutek
endogennej respiracji (autooksydacji), 1/dzień,
¸0  wiek osadu, przy którym biomasa powstaÅ‚a w
reaktorze o przepływie ciągłym, dni
Hydroliza związków wielkocząsteczkowych
Szybkość rozkładu biomasy
dXb
= - bX
a
dt
stÄ…d
dXb
0,8Xb
= - b
0
dt
1+ 0,2b(¸ + t)
Równanie to pozwala wyznaczyć wartość
współczynnika b