Comprendre els fangs activats (II) - Com mantenir els microorganismes "reproductius"!

Pròleg: el document anterior parlava de l'origen i l'estructura de la comunitat microbiana dels fangs activats. Aquest document se centra en "com mantenir els microorganismes reproductius". Tots sabem que quan l'entorn és apte per a la reproducció, els organismes (plantes, animals i microorganismes) entren de manera natural en un estat reproductiu; quan el medi ambient es deteriora, els organismes deixen de reproduir-se. Si fem servir el "desig reproductiu" humà com a analogia, els joves d'avui s'enfronten a tres grans reptes: educació, salut i habitatge. Aquests tres aspectes afecten significativament la seva voluntat de tenir fills. Per descomptat, els microorganismes no tenen tants requisits, ni necessiten cotxes ni cases. Sempre que l'entorn de l'aigua compleixi els requisits de temperatura, oxigen dissolt, pH i nutrients, poden créixer ràpidament!

Els microorganismes tenen la seva pròpia corba de creixement i el seu procés de creixement canvia amb la disponibilitat de nutrients. En un entorn definit, no afectat per factors externs, la corba de creixement dels microorganismes s'ajusta al diagrama següent. El procés de creixement inclou quatre etapes: adaptació (etapa d'ajust), etapa de creixement logarítmic, etapa de creixement de desacceleració i respiració endògena. Quan els microorganismes entren en un nou entorn, hi ha un període d'adaptació durant el qual el seu nombre es manté relativament estable.

Corba de creixement del fang (és a dir, corba de creixement microbià)

La concentració de microorganismes té un valor inicial, que representa la quantitat de fangs afegit durant la posada en marxa inicial del dipòsit de tractament biològic. Amb el temps, la concentració de fangs augmenta gradualment. Generalment, la concentració de fangs en un dipòsit de tractament biològic aeròbic es pot mantenir entre 3000-5000 mg/L. La concentració de fangs depèn de la concentració de DBO de l'afluent; com més gran sigui la concentració de DBO, més gran serà la concentració de fangs que es pot mantenir.

En el funcionament real del tanc de tractament biològic, la concentració de fangs es manté entre la fase de creixement de desacceleració i la fase de respiració endògena. Es pot observar que la concentració de fangs varia en funció del mode de funcionament del dipòsit de tractament biològic.

En l'aeració ordinària, també coneguda com a ventilació de flux d'obturació, els contaminants disminueixen gradualment durant el procés de propulsió i el creixement del fang es controla durant la fase de creixement de desacceleració. Alguns es poden preguntar, com es controla això? Això s'aconsegueix mitjançant la recirculació de fangs i les mesures d'eliminació de fangs!

La mescla completa significa que totes les parts del dipòsit de tractament biològic funcionen en les mateixes condicions (per exemple, concentració de contaminants, pH, oxigen dissolt, etc.). Els processos de tractament biològic operats de manera intermitent (com el procés SBR esmentat anteriorment) generalment poden aconseguir-ho bé, i l'estat del fang es controla durant la fase de creixement de desacceleració.

L'aireació estesa (SRT) utilitza una taxa de càrrega volumètrica molt baixa en el disseny, donant lloc a una concentració de fangs relativament baixa al dipòsit de tractament biològic. Aquest procés opera en la fase de respiració endògena de la corba de creixement, i requereix una baixa taxa de càrrega orgànica i un llarg temps d'aireació, normalment de 20 a 30 dies per a SRT i 24 hores per a HRT. Aquest procés generalment no utilitza un dipòsit de sedimentació primari.

Corba de concentració d'oxigen dissolt

Sense suplements d'oxigen dissolt extern, l'oxigen dissolt a l'aigua disminueix gradualment, tal com es mostra a la figura. Per descomptat, l'oxigen dissolt s'ha de complementar al dipòsit de tractament biològic per mantenir un valor relativament constant.

Corba de concentració de contaminants

La DBO pot, fins a cert punt, expressar la concentració de contaminants a l'aigua (com s'ha esmentat anteriorment, els valors de DQO s'utilitzen millor en el disseny del volum del tanc). Amb el temps, la concentració de contaminants disminueix fins a un nivell de descàrrega.

Sota una temperatura adequada, suficient oxigen dissolt i nutrients, i l'absència de substàncies inhibidores, el factor determinant que controla el creixement del fang activat és la relació F/M entre la quantitat d'aliment (matèria orgànica a les aigües residuals, també coneguda com a substrat) i la quantitat de microorganismes (fangs activats), que també està influenciada per factors com la taxa de degradació i la taxa d'utilització del substrat orgànic, la taxa d'utilització d'oxigen i l'adquisició orgànica. propietats dels fangs activats.

Etapa d'adaptació (etapa d'ajust): També anomenada etapa d'ajust, aquesta és l'etapa inicial del cultiu de fangs activats. Els microorganismes no proliferen, però comencen a produir-se canvis qualitatius. Aquesta etapa correspon a la part horitzontal inicial de la corba de creixement del diagrama i, en general, té una durada curta. En les etapes posteriors de l'etapa d'adaptació, el sistema enzimàtic microbià s'ha adaptat gradualment al nou entorn, el desenvolupament individual ha arribat a un cert nivell, les cèl·lules comencen a dividir-se i els microorganismes comencen a reproduir-se.

Etapa de creixement logarítmic: la taxa de creixement del fang activat augmenta, la relació F/M és relativament gran, el substrat orgànic és abundant i l'activitat del fang activat és alta. Els microorganismes absorbeixen simultàniament el substrat orgànic a la velocitat més alta i sintetitzen cèl·lules a la velocitat més alta, aconseguint la proliferació. En aquesta etapa, el fang activat té una gran capacitat per eliminar la matèria orgànica, i el creixement del fang no està limitat per les condicions nutritives sinó només per la concentració microbiana. No obstant això, el fang té propietats de floculació pobres, és difícil de sedimentar i té poca eficiència de tractament.

Etapa de creixement desaccelerat: la taxa de creixement del fang activat disminueix, la relació F/M continua disminuint i la taxa de creixement està limitada pels nutrients orgànics. Aquesta és l'etapa operativa típica del procés de fangs actius. En aquesta etapa, la matèria orgànica de les aigües residuals es pot eliminar en gran mesura i els fangs tenen bones propietats de floculació i sedimentació.

Etapa de metabolisme endogen: els nutrients s'esgoten en gran mesura. Incapaç d'obtenir suficients nutrients, el fang activat comença a utilitzar el seu emmagatzematge intern, és a dir, es troba en l'etapa d'auto-oxidació. En aquesta etapa, el fang té un alt grau d'inorganicització i bones propietats de sedimentació, però una floculació deficient i el fang disminueix gradualment. Tanmateix, com que els residus de la respiració endògena són majoritàriament difícils--de degradar les parets cel·lulars i el citoplasma, el fang activat no pot desaparèixer completament.

Molts factors poden afectar el creixement microbià, inclosos els nutrients, la temperatura, el pH, l'oxigen dissolt i les substàncies tòxiques. Per descomptat, diferents tipus de microorganismes tenen diferents rangs de tolerància per a aquests factors. Els tipus comuns de microorganismes dels fangs activats inclouen els bacteris aeròbics (una àmplia categoria, que inclou moltes subcategories com ara els bacteris nitrificants), els bacteris hidrolítics, els bacteris fermentants, els bacteris d'hidrogen, els bacteris de l'àcid acètic, els metanògens, els bacteris reductors de sulfat{2} i els protozous anaeròbics. Per tant, sempre que aquests factors es mantinguin dins dels rangs normals, es pot aconseguir un creixement microbià ràpid.

Nutrients
Durant les activitats vitals dels microorganismes, necessiten absorbir contínuament nutrients essencials del cos d'aigua circumdant, incloent: fonts de carboni, fonts de nitrogen, sals inorgàniques i certs factors de creixement. Les aigües residuals a tractar han de contenir quantitats suficients d'aquestes substàncies.

El carboni és un component estructural important de les cèl·lules microbianes. Els microorganismes implicats en el tractament de fangs activats tenen un requisit de font de carboni relativament elevat, generalment no inferior a 100 mg/L (calculat com a DBO5).

El nitrogen és un element important en la composició de proteïnes i àcids nucleics dins de les cèl·lules microbianes. Les fonts de nitrogen poden provenir de compostos de nitrogen inorgànic com N2, NH3 i NO3, així com de compostos que contenen nitrogen-orgànic com proteïnes i aminoàcids.

El fòsfor és un element essencial per a la síntesi de nucleoproteïnes, lecitina i altres compostos de fòsfor, jugant un paper crucial en el metabolisme microbià i la transformació del material. El coenzim I, el coenzim II i l'adenosina monofosfat (ATP) contenen fòsfor. Els microorganismes obtenen principalment fòsfor a partir de compostos inorgànics de fòsfor. Fonts insuficients de fòsfor afectaran l'activitat enzimàtica, afectant així les funcions fisiològiques dels microorganismes.

En general, la proporció dels tres nutrients principals (carboni, nitrogen i fòsfor) és DBO:N:P=100:5:1. A més, els oligoelements com el sofre, el sodi, el potassi, el calci, el magnesi i el ferro també tenen un paper important en el procés de creixement dels microorganismes.

Oxigen dissolt

Les espècies microbianes implicades en el tractament d'aigües residuals es divideixen en espècies aeròbiques i anaeròbies, i els tancs operatius inclouen tancs aeròbics, tancs anòxics, tancs d'hidròlisi i tancs anaeròbics. Segons l'experiència operativa, la concentració d'oxigen dissolt al tanc aeròbic s'ha de mantenir entre 2 i 4 mg/L. En els dipòsits d'hidròlisi i anòxics, que són ambients anaeròbics facultatius, es permet una certa concentració d'oxigen dissolt, generalment entre 0,2-0,5 mg/L. El tanc anaeròbic és un entorn estrictament anaeròbic; per garantir els processos d'hidròlisi i fermentació, no es permet la presència d'oxigen dissolt.

L'oxigen dissolt és crucial per al funcionament de les depuradores d'aigües residuals. Si l'oxigen dissolt al tanc aeròbic és massa baix, s'inhibeix el creixement de bacteris nitrificants i altres bacteris aeròbics, mentre que els bacteris filamentosos proliferaran ràpidament, donant lloc a l'acumulació de fangs.

Valor del pH: Les activitats fisiològiques dels microorganismes estan estretament relacionades amb el pH de l'entorn. Els microorganismes només poden dur a terme activitats fisiològiques normals en condicions de pH adequades. El rang de pH òptim per als microorganismes implicats en el tractament biològic d'aigües residuals és generalment entre 6,5 i 8,5. Els diferents grups bacterians tenen diferents rangs de tolerància; Els bacteris acidificants hidrolítics tenen un rang de pH entre 5,5 i 7,5, mentre que els bacteris aeròbics tenen un rang de pH entre 6,5 i 8,5.

Temperatura
La temperatura és crucial per al creixement microbià. La majoria dels microorganismes implicats en el tractament de fangs activats són termòfils, amb un rang de temperatura òptim de 10-45 graus. Per garantir un funcionament correcte, la temperatura de l'aigua al dipòsit de tractament biològic es manté generalment entre 15 i 35 graus; el creixement microbià disminueix per sota dels 5 graus. A més, els bacteris anaeròbics tenen una tolerància a la temperatura molt més alta que els bacteris aeròbics, de manera que la majoria dels tancs anaeròbics estan equipats amb dispositius d'aïllament i calefacció.

Substàncies tòxiques
Les "substàncies tòxiques" es refereixen a determinades substàncies inorgàniques i orgàniques que inhibeixen les activitats fisiològiques dels microorganismes. Aquests inclouen principalment ions de metalls pesants (com ara zinc, coure, níquel, plom, crom, etc.) i alguns compostos no metàl·lics (com fenols, aldehids, cianurs, sulfurs, etc.). Els efectes tòxics de les substàncies tòxiques sobre els microorganismes són quantitatius; la toxicitat i la inhibició només es fan evidents quan la substància tòxica arriba a una certa concentració en el medi ambient. Mentre la concentració de diverses substàncies tòxiques a les aigües residuals estigui per sota d'aquest nivell, les funcions fisiològiques dels microorganismes no es veuen afectades.

L'eliminació microbiana i la degradació dels contaminants es basa principalment en dos processos: l'adsorció i el metabolisme (assimilació i dissimilació).

Procés d'adsorció: en un curt període de temps després que les aigües residuals entrin en contacte i es barregin amb els fangs actius, els contaminants orgànics de l'aigua presenten una alta taxa d'eliminació. Aquest fenomen inicial d'eliminació d'alta-velocitat és el resultat d'una combinació d'adsorció física i biològica. Durant aquest procés, el substrat orgànic del licor barrejat disminueix ràpidament. Això es deu al fet que el fang activat té una gran superfície i s'enriqueix amb un gran nombre de microorganismes a la seva superfície, cobert per una capa viscosa-rica en polisacàrids. Quan els substrats orgànics en suspensió i col·loïdals de les aigües residuals entren en contacte amb els flocs de fang activat, es coagulen i s'adsorbeixen ràpidament, un fenomen conegut com "adsorció inicial".

El procés d'adsorció inicial transcorre molt ràpidament, generalment es completa en 30 minuts. La taxa d'eliminació d'adsorció de la DBO d'aigües residuals pot arribar al 70%, i per a les aigües residuals que contenen una gran quantitat de matèria orgànica en suspensió i col·loïdal, la DBO pot disminuir entre un 80% i un 90%. La velocitat d'adsorció inicial depèn principalment de l'activitat dels microorganismes i del grau de difusió hidràulica i dinàmica hidràulica dins del reactor. El primer determina l'eficiència d'adsorció i floculació dels microorganismes del fang activat, mentre que el segon determina el grau de contacte entre els flocs del fang activat i el substrat orgànic.

Procés metabòlic: els contaminants orgànics adsorbits a la superfície de les cèl·lules microbianes de fangs activats es metabolitzen. La matèria orgànica dissolta i de molècules petites-permea directament la paret cel·lular a la cèl·lula sota l'acció dels enzims permeabilitzadors, on se sotmet al metabolisme. La matèria orgànica de grans-molècules col·loïdals i en suspensió, com ara midó i proteïnes, s'hidrolitza primer en molècules petites dissoltes mitjançant enzims extracel·lulars-hidrolases- abans d'entrar a la cèl·lula. Un cop dins de la cèl·lula, els contaminants orgànics s'oxiden gradualment i es descomponen en productes inorgànics estables, com ara CO2 i H2O, sota la catàlisi de diversos enzims intracel·lulars, alliberant energia per a la síntesi cel·lular. En aquest procés, la matèria orgànica es transforma en substàncies inorgàniques simples i estables mitjançant reaccions bioquímiques, aconseguint l'eliminació dels contaminants.