Biotechnologia
ścieków
Hydroliza związków
wielkocząsteczkowych
Biotechnologia
ścieków
Hydroliza związków
wielkocząsteczkowych
Hydroliza związków
wielkocząsteczkowych
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