Förstå aktivt slam (II) – Hur man håller mikroorganismer "reproduktiva"!

Förord: Det tidigare dokumentet diskuterade ursprunget och den mikrobiella samhällsstrukturen för aktivt slam. Detta dokument fokuserar på "hur man håller mikroorganismer reproduktiva." Vi vet alla att när miljön är lämplig för reproduktion, går organismer (växter, djur och mikroorganismer) naturligt in i ett reproduktionstillstånd; när miljön försämras slutar organismer att reproducera sig. Om vi ​​använder mänsklig "reproduktiv lust" som en analogi, står unga människor idag inför tre stora utmaningar: utbildning, sjukvård och boende. Dessa tre aspekter påverkar avsevärt deras vilja att skaffa barn. Naturligtvis har mikroorganismer inte så många krav, och de behöver inte heller bilar eller hus. Så länge vattenmiljön uppfyller kraven på temperatur, löst syre, pH och näringsämnen kan de växa snabbt!

Mikroorganismer har sin egen tillväxtkurva och deras tillväxtprocess förändras med tillgången på näringsämnen. I en definierad miljö, opåverkad av yttre faktorer, överensstämmer mikroorganismernas tillväxtkurva med diagrammet nedan. Tillväxtprocessen inkluderar fyra stadier: anpassning (justeringsstadiet), logaritmiskt tillväxtstadium, retardationstillväxtstadiet och endogen andning. När mikroorganismer kommer in i en ny miljö finns det en anpassningsperiod under vilken deras antal förblir relativt stabilt.

Slamtillväxtkurva (dvs mikrobiell tillväxtkurva)

Koncentrationen av mikroorganismer har ett initialt värde, som representerar mängden slam som tillförts under den första uppstarten av den biologiska reningstanken. Med tiden ökar slamkoncentrationen gradvis. I allmänhet kan slamkoncentrationen i en aerob biologisk reningstank hållas mellan 3000-5000 mg/L. Slamkoncentrationen beror på BOD-koncentrationen av influenten; ju högre BOD-koncentration, desto högre slamkoncentration kan upprätthållas.

Vid faktisk drift av biologisk reningstank bibehålls slamkoncentrationen mellan retardationstillväxtfasen och den endogena respirationsfasen. Det kan ses att slamkoncentrationen varierar beroende på driftsättet för den biologiska reningstanken.

Vid vanlig luftning, även känd som pluggflödesluftning, minskar föroreningarna gradvis under framdrivningsprocessen, och slamtillväxten kontrolleras under retardationstillväxtfasen. Vissa kanske frågar sig, hur kontrolleras detta? Detta uppnås genom slamåtercirkulation och slamavlägsnande åtgärder!

Fullständig blandning innebär att alla delar av den biologiska reningstanken fungerar under samma förhållanden (t.ex. föroreningskoncentration, pH, löst syre, etc.). Intermittent drivna biologiska reningsprocesser (såsom SBR-processen som nämnts tidigare) kan i allmänhet uppnå detta väl, och slamtillståndet kontrolleras under retardationstillväxtfasen.

Extended aeration (SRT) använder en mycket låg volymetrisk belastningshastighet i konstruktionen, vilket resulterar i en relativt låg slamkoncentration i den biologiska reningstanken. Denna process fungerar i tillväxtkurvans endogena andningsfas, vilket kräver en låg organisk belastningshastighet och en lång luftningstid, vanligtvis 20-30 dagar för SRT och 24 timmar för HRT. Denna process använder vanligtvis inte en primär sedimentationstank.

Koncentrationskurva för upplöst syre

Utan extern tillskott av löst syre minskar det lösta syret i vattnet successivt som visas i figuren. Givetvis måste löst syre tillföras i den biologiska reningstanken för att hålla ett relativt konstant värde.

Koncentrationskurva för föroreningar

BOD kan i viss mån uttrycka koncentrationen av föroreningar i vattnet (som tidigare nämnts används COD-värden bäst i tankvolymdesign). Med tiden minskar föroreningskoncentrationen till en urladdningsbar nivå.

Vid lämplig temperatur, tillräckligt med löst syre och näringsämnen, och frånvaro av hämmande ämnen, är den avgörande faktorn som styr tillväxten av aktiverat slam förhållandet F/M mellan mängden mat (organiskt material i avloppsvatten, även känt som substrat) och mängden mikroorganismer (aktiverat slam), vilket också påverkas av faktorer som organens substratets nedbrytningshastighet och syrenedbrytningshastigheten, adsorptionsegenskaper hos aktivt slam.

Adaptation Stage (Adjustment Stage): Kallas även justeringsstadiet, detta är det inledande skedet av aktivt slamodling. Mikroorganismer förökar sig inte, men kvalitativa förändringar börjar inträffa. Detta steg motsvarar den initiala horisontella delen av tillväxtkurvan i diagrammet och är i allmänhet kort i varaktighet. I de senare stadierna av anpassningsstadiet har det mikrobiella enzymsystemet gradvis anpassat sig till den nya miljön, individuell utveckling har nått en viss nivå, celler börjar dela sig och mikroorganismer börjar fortplanta sig.

Logaritmiskt tillväxtstadium: Tillväxthastigheten för aktiverat slam ökar, F/M-förhållandet är relativt stort, organiskt substrat är rikligt och aktivt slamaktivitet är hög. Mikroorganismer absorberar samtidigt organiskt substrat i högsta hastighet och syntetiserar celler i högsta hastighet, vilket uppnår proliferation. I detta skede har det aktiva slammet en hög kapacitet att ta bort organiskt material, och slamtillväxten begränsas inte av näringsförhållanden utan endast av mikrobiell koncentration. Men slammet har dåliga flockningsegenskaper, är svårt att sedimentera och har dålig behandlingseffektivitet.

Bromsad tillväxtfas: Tillväxthastigheten för aktiverat slam minskar, F/M-förhållandet fortsätter att minska och tillväxthastigheten begränsas av organiska näringsämnen. Detta är det typiska driftssteget för den aktiverade slamprocessen. I detta skede kan organiskt material i avloppsvattnet till stor del avlägsnas och slammet har goda flocknings- och sedimenteringsegenskaper.

Endogent metabolismstadium: Näringsämnen är till stor del utarmade. Om det inte går att få tillräckligt med näringsämnen börjar det aktiverade slammet utnyttja sitt interna lagringsutrymme, dvs. det är i självoxidationsstadiet. I detta skede har slammet en hög grad av oorganisering och goda sedimenteringsegenskaper, men dålig flockning, och slammet minskar successivt. Men eftersom resterna av endogen andning för det mesta är svår-att-bryta ned cellväggar och cytoplasma, kan det aktiverade slammet inte försvinna helt.

Många faktorer kan påverka mikrobiell tillväxt, inklusive näringsämnen, temperatur, pH, löst syre och giftiga ämnen. Naturligtvis har olika typer av mikroorganismer olika toleransintervall för dessa faktorer. Vanliga typer av mikroorganismer i aktiverat slam inkluderar aeroba bakterier (en bred kategori, som omfattar många underkategorier såsom nitrifierande bakterier), hydrolytiska bakterier, fermenterande bakterier, vätebakterier, ättiksyrabakterier, metanogener, sulfat-reducerande bakterier och anaeroba protozoaeroba. Därför, så länge som dessa faktorer hålls inom normala intervall, kan snabb mikrobiell tillväxt uppnås.

Näringsämnen
Under livsaktiviteterna för mikroorganismer behöver de kontinuerligt absorbera viktiga näringsämnen från den omgivande vattenkroppen, inklusive: kolkällor, kvävekällor, oorganiska salter och vissa tillväxtfaktorer. Avloppsvattnet som ska renas måste innehålla tillräckliga mängder av dessa ämnen.

Kol är en viktig strukturell komponent i mikrobiella celler. Mikroorganismer som är inblandade i behandling av aktivt slam har ett relativt stort behov av kolkällor, i allmänhet inte mindre än 100 mg/L (beräknat som BOD5).

Kväve är ett viktigt element i sammansättningen av proteiner och nukleinsyror i mikrobiella celler. Kvävekällor kan komma från oorganiska kväveföreningar som N2, NH3 och NO3, såväl som organiskt kväve-innehållande föreningar som proteiner och aminosyror.

Fosfor är ett viktigt element för syntesen av nukleoproteiner, lecitin och andra fosforföreningar, och spelar en avgörande roll i mikrobiell metabolism och materialomvandling. Koenzym I, koenzym II och adenosinmonofosfat (ATP) innehåller alla fosfor. Mikroorganismer får i första hand fosfor från oorganiska fosforföreningar. Otillräckliga fosforkällor kommer att påverka enzymaktiviteten och därigenom påverka mikroorganismernas fysiologiska funktioner.

Generellt sett är förhållandet mellan de tre huvudsakliga näringsämnena (kol, kväve och fosfor) BOD:N:P=100:5:1. Dessutom spelar spårämnen som svavel, natrium, kalium, kalcium, magnesium och järn också viktiga roller i tillväxtprocessen för mikroorganismer.

Upplöst syre

De mikrobiella arterna som är involverade i avloppsvattenrening är indelade i aeroba och anaeroba arter, och drifttankarna inkluderar aeroba tankar, anoxiska tankar, hydrolystankar och anaeroba tankar. Baserat på operativ erfarenhet bör koncentrationen av löst syre i den aeroba tanken hållas mellan 2-4 mg/L. I hydrolys- och anoxiska tankar, som är fakultativa anaeroba miljöer, är en viss koncentration av löst syre tillåten, vanligtvis mellan 0,2-0,5 mg/L. Den anaeroba tanken är en strikt anaerob miljö; För att säkerställa hydrolys- och jäsningsprocesserna är närvaron av löst syre inte tillåten.

Löst syre är avgörande för driften av avloppsreningsverk. Om det lösta syret i den aeroba tanken är för lågt, kommer tillväxten av nitrifierande bakterier och andra aeroba bakterier att hämmas, medan trådformiga bakterier kommer att föröka sig snabbt, vilket leder till att slam bultar.

pH-värde: Mikroorganismernas fysiologiska aktiviteter är nära relaterade till miljöns pH. Mikroorganismer kan endast utföra normala fysiologiska aktiviteter under lämpliga pH-förhållanden. Det optimala pH-intervallet för mikroorganismer som är involverade i biologisk avloppsvattenrening är i allmänhet mellan 6,5 och 8,5. Olika bakteriegrupper har olika toleransintervall; hydrolytiskt surgörande bakterier har ett pH-intervall mellan 5,5 och 7,5, medan aeroba bakterier har ett pH-intervall mellan 6,5 och 8,5.

Temperatur
Temperaturen är avgörande för mikrobiell tillväxt. De flesta mikroorganismer som är involverade i behandling av aktivt slam är termofila, med ett optimalt temperaturområde på 10-45 grader. För att säkerställa korrekt drift hålls vattentemperaturen i den biologiska reningstanken i allmänhet mellan 15-35 grader; mikrobiell tillväxt saktar ner under 5 grader. Dessutom har anaeroba bakterier en mycket högre temperaturtolerans än aeroba bakterier, så de flesta anaeroba tankar är utrustade med isolerings- och värmeanordningar.

Giftiga ämnen
"Toxiska ämnen" avser vissa oorganiska och organiska ämnen som hämmar mikroorganismers fysiologiska aktiviteter. Dessa inkluderar främst tungmetalljoner (som zink, koppar, nickel, bly, krom, etc.) och vissa icke-metalliska föreningar (som fenoler, aldehyder, cyanider, sulfider, etc.). Giftiga ämnens toxiska effekter på mikroorganismer är kvantitativa; toxicitet och hämning blir uppenbar först när det giftiga ämnet når en viss koncentration i miljön. Så länge koncentrationen av olika giftiga ämnen i avloppsvattnet ligger under denna nivå, påverkas inte mikroorganismernas fysiologiska funktioner.

Mikrobiellt avlägsnande och nedbrytning av föroreningar bygger huvudsakligen på två processer: adsorption och metabolism (assimilering och dissimilering).

Adsorptionsprocess: Inom en kort period efter att avloppsvatten kommer i kontakt med och blandar sig med aktivt slam uppvisar organiska föroreningar i vattnet en hög avverkningshastighet. Detta initiala fenomen för avlägsnande av-hög hastighet är resultatet av en kombination av fysisk och biologisk adsorption. Under denna process minskar det organiska substratet i blandluten snabbt. Detta beror på att det aktiverade slammet har en stor yta och är berikat med ett stort antal mikroorganismer på sin yta, täckt av ett polysackaridrikt -visköst lager. När suspenderade och kolloidala organiska substrat i avloppsvattnet kommer i kontakt med de aktiverade slamflockarna koaguleras de snabbt och adsorberas, ett fenomen som kallas "initial adsorption".

Den initiala adsorptionsprocessen fortskrider mycket snabbt, vanligtvis avslutad inom 30 minuter. Adsorptionshastigheten för avloppsvatten BOD kan nå 70 %, och för avloppsvatten som innehåller en stor mängd suspenderat och kolloidalt organiskt material kan BOD minska med 80 %–90 %. Den initiala adsorptionshastigheten beror i första hand på mikroorganismernas aktivitet och graden av hydraulisk diffusion och hydraulisk dynamik i reaktorn. Den förra bestämmer adsorptions- och flockningseffektiviteten för de aktiverade slammikroorganismerna, medan den senare bestämmer graden av kontakt mellan de aktiverade slamflockarna och det organiska substratet.

Metabolisk process: Organiska föroreningar som adsorberas på ytan av mikrobiella celler i aktiverat slam metaboliseras. Upplöst och liten-molekylär organiskt material tränger direkt in i cellväggen i cellen under inverkan av permeabiliserande enzymer, där det genomgår metabolism. Kolloidalt och suspenderat organiskt material i stor-molekyl, såsom stärkelse och protein, hydrolyseras först till lösta små molekyler av extracellulära enzymer-hydrolaser-innan de kommer in i cellen. Väl inne i cellen oxideras organiska föroreningar gradvis och bryts ner till stabila oorganiska produkter, såsom CO2 och H2O, under katalys av olika intracellulära enzymer, vilket frigör energi för cellsyntes. I denna process omvandlas organiskt material till enkla, stabila oorganiska ämnen genom biokemiska reaktioner, vilket leder till att föroreningar avlägsnas.