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 · X

K

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

+

= µ

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

+

=

µ

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

+

=

µ

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

µ

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

θ

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

θ

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

+

+

=

θ

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

+

+

−

=

θ

stąd

Równanie to pozwala wyznaczyć wartość
współczynnika b