المعالجة الثانوية لمياه الصرف (مع رسم بياني)
اقرأ هذه المقالة للتعرف على المعالجة الثانوية للمياه العادمة.
يُعرف العلاج الثانوي أيضًا باسم العلاج البيولوجي. إنها قادرة على تقليل المواد العضوية المذابة القابلة للتحلل البيولوجي و / أو المعلقة. ومن خلال المعالجة الثانوية ، يمكن أيضًا إزالة المركبات النيتروجينية والفوسفورية الذائبة من تيار مياه الصرف الصحي.
المواد العضوية التي تخضع لتحلل في وجود الكائنات الدقيقة (الميكروبات ، والتي هي موجودة في كل مكان) وتسمى المواد القابلة للتحلل. تنتج الكائنات الدقيقة إنزيمات (مواد بروتينية معقدة) تعمل كمحفزات لعمليات التحلل البيولوجي. تحدث هذه العمليات من خلال سلسلة من التفاعلات ، والتي يشار إليها باسم المسارات البيوكيميائية.
قد تحدث التفاعلات في وجود الأكسجين المذاب. هذه يشار إليها باسم التفاعلات الهوائية (العمليات). تحدث بعض التفاعلات في الغياب الكلي للأكسجين. وتسمى تلك العمليات اللاهوائية / ملزمة اللاهوائي. قد تختلف التفاعلات التي تحدث في الظروف الهوائية عن تلك الموجودة تحت الظروف اللاهوائية.
هناك بعض الميكروبات ، القادرة على تنفيذ التفاعلات البيولوجية سواء تحت الظروف الهوائية أو اللاهوائية. ويشار إلى هذه الميكروبات بالميكروبات الاختيارية ، وتسمى العمليات على أنها ميكروبات اختيارية.
بالنسبة للمعالجة البيولوجية لمياه الصرف المحتوية على مواد عضوية (مذابة و / أو معلقة) ، يتم استخدام مجموعة من الميكروبات وقد تكون الظروف المحافظة عليها إما هوائية أو لاهوائية. من أجل فهم أفضل لهذه العمليات ، من الضروري التعرف على الخصائص الأساسية لأنواع الميكروبات المختلفة ، والتي نوقشت باختصار فيما يلي.
أساسيات الميكروبات:
قبل اختراع المجهر ، تم تصنيف الكائنات الحية إلى مجموعتين ، وهما النباتات والحيوانات. النباتات هي متحركة ، في حين أن الحيوانات متحركة. بعد اختراع الميكروبات الميكروية / الكائنات الدقيقة أصبحت مرئية. لديهم الخصائص الأساسية للكائنات الحية ، أي أنها قادرة على إعادة إنتاج نفسها ، ولكن هيكليًا تختلف عن النباتات والحيوانات الكبرى. تسمى الكائنات الحية المجهرية كأنصار.
لل protists هيكل بسيط نسبيا. قد تكون وحيدة الخلية أو متعددة الخلايا. وحتى في الخلايا متعددة الخلايا ، لا تكون الخلايا مختلفة داخليًا ، ولا يتم تنظيم تلك الخلايا كأنسجة. تحتوي النباتات والحيوانات الكلية على الأنسجة التي تؤدي وظائف مختلفة. التصنيفات الحامية مذكورة في الجدول 9.3.
يوضح الشكلان 9.19A و 9.19 B الهياكل النموذجية لخلايا بدائية النواة وخلايا الكائنات الحقيقية النواة.
إلى جانب البروتستانيين هناك بعض الجسيمات الحيوية المجهرية الفرعية المعروفة باسم الفيروسات. هذه مرئية فقط تحت المجهر الإلكتروني. يتراوح حجمها بين 0.02-0.08 بعد الظهر. في الأساس هم إما الحمض النووي أو الرنا محاطا بقشرة من البروتين. هم غير قادرين على التكاثر بمفردهم. فهي تصيب الخلايا المضيفة وتحفزها على تكرار نفسها وتنتج المزيد من الفيروسات.
بدائيات النوى:
بدائيات النواة أحادية الخلية وعادة ما تكون أصغر من 5 ميكرومتر في القطر. لديهم بنية بسيطة للغاية ويحدها غشاء. معظمهم لديهم جدران الخلايا الصلبة. يوجد داخل الخلية نواة وسيتوبلازم. النواة ليست منفصلة عن السيتوبلازم بغشاء. توجد الإنزيمات التي تشارك في التنفس والتفاعلات الضوئية في غشاء الخلية أو في طيها. بدائيات النواة ليست phagotropic ، أي أنهم لا يستطيعون تناول الطعام.
فهي تفرز إنزيمات هيدروليتية خارج الخلوية ، تحلل الجزيئات العضوية المعلقة وتذيب الجزيئات العضوية الكبيرة إلى جزيئات أصغر. إنها تحلل الجزيئات الصغيرة ثم تدخل الخلايا بواسطة آليات مختلفة. عادة ما تتحرك بدائيات النوى بمساعدة الأسيلة ، وهي ليفيل حلزوني ناتئ من خلال غشاء الخلية ، بشكل أساسي ، هناك مجموعتان من بدائيات النوى ، وهما الطحالب البكتيرية والأزرق والأخضر.
بكتيريا:
البكتيريا هي وحيدة الخلية. حجمها يتراوح بين 0.2 إلى 2 ميكرون. يتم تصنيفها إلى ثلاث مجموعات: myxobacteria ، spirochetes و eubacteria. اعتمادا على شكلها يطلق عليها اسم كوشي (كروية) ، العصي (مثل قضيب) ، و spirilla (اللوالب).
Myxobacteria هي على شكل قضيب ، مع وجود جدران رقيقة رقيقة. يتحركون عن طريق العمل مزلق. فهم يحصلون على طعامهم عن طريق شق الكائنات الحية الأخرى مثل البكتيريا ، والفطريات ، والطحالب ، إلخ. إن اللولبيات ذات شكل حلزوني ، لها جدران مرنة مرنة. هناك فترة طويلة نسبيا مقارنة بعرضهم. انهم يعيشون في الطين والماء واللاهوائية. بعضها طفيلي.
Eubacteria:
البكتيريا ، بخلاف المتفطرات واللولبيات ، يتم تصنيفها على أنها جراثيم. قد تكون أشكالها قضيب مثل كروية أو لولبية. بعض منهم لديهم سوطي وهم متحررين ، في حين أن الآخرين هم متحمسون. لقد تم تصنيفها بشكل فرعي وفقًا لخصائصها الأيضية والنشطة. بشكل عام ، فهي أحادية الخلية ، ولكن بعضها يكون شكلها الكلي ، بينما بعضها الآخر خيطي.
طحلب اخضر مزرق:
يمكن أن تكون أحادية الخلية أو متعددة الخلايا. تتكاثر عن طريق الانشطار الثنائي. تعد الخلايا متعددة الخلايا خيوطًا متماثلة للخلايا متماسكة معًا بجدار خارجي مشترك. يتم تحرير جزء قصير من خيوط تحتوي على عدد قليل من الخلايا وينمو الشعيرة المحررة عن طريق التقسيم الثنائي للخلايا في مستوى واحد.
الشعيرات أحادية الخلية هي immoile في حين أن خيوط متعددة الخلايا يمكن أن تنزلق. الطحالب الخضراء وزرقاء هي التمثيل الضوئي. لونهم عادة ما يكون باللون الأزرق والأخضر. بعض الأنواع لها اللون الأحمر والأرجواني والبني والأسود. يمكن لبعض الأنواع تثبيت النيتروجين في الغلاف الجوي.
حقيقيات النواة:
تمتلك حقيقيات النوى بنية أكثر تعقيدًا من بدائيات النواة. قطرها أكثر من 20 مساء. تحتوي كل خلية على العديد من العضيات ، مثل النواة والميتوكوندريا والشبكة الإندوبلازمية ، جهاز جولجي ، الفجوة ، الليزومات ، الريبوسومات ، البلاستيدات الخضراء ، الخ. كل واحدة منها لها وظيفة محددة. كل خلية لديها غشاء الخلوي الخارجي. البعض لديهم جدران الخلايا. العضيات الداخلية تحدها الأغشية.
تظهر الخلايا حقيقية النواة بدون جدران الخلايا حركة amoeboid بسبب الحركة السيتوبلازمية ، تدعى السيتوبلازمية. أولئك الذين لديهم جدران من الخلايا يتحركون بمساعدة من السواطير. وقد تم تصنيف حقيقيات النوى إلى ثلاث مجموعات ، وهي الطحالب ، وال protوليوزيد والفطريات.
الطحالب حقيقية النواة :
هذه قد تكون أحادية الخلية أو متعددة الخلايا. في الخلايا متعددة الخلايا لا تختلف الخلايا عن بعضها البعض. فهي تتميز بالضوء الضوئي ، وبعضها يحتوي على جدران خلوية ، ومن ثم فهي تتسم بالتناظرية (osmotrophic). أولئك الذين ليس لديهم جدران خلوية يبتلعون كائنات صغيرة بشكل مغشوش. يمكن أن تنمو في وسائل الإعلام غير العضوية. هذه ليست ذات أهمية في معالجة مياه الصرف الصحي.
ومع ذلك ، فهم يساعدون البكتريا بشكل تكافلي لأنها تنتج الأكسجين أثناء عملية التمثيل الضوئي. انتشار الطحالب في وجود المواد المغذية غير العضوية يسبب مشكلة أثناء الترشيح مع انخفاض فترة التشغيل. هناك ست مجموعات رئيسية من الطحالب حقيقية النواة ، ومعظمها لها سلالة ، باستثناء الطحالب الحمراء. وهي تختلف عن غيرها في لون الصباغ كلوروبلاست ، تكوين جدار الخلية وتركيبة الطعام الاحتياطي.
الكائنات الاوليه:
هذه هي أحادية الخلية ، غير ضوئية و متحركة. بعضها طفيلي والآخر هو phagotrophic. الأغلبيات الهوائية وقليلة هي اللاهوائية. وتستضيف هذه العناصر الكائن الأصغر والمادة العضوية. مجموعة suaccatys preys على protozoa. أنها تساعد في التلبد الحيوي.
تم تجميع الأوليات الأولية في خمس مجموعات رئيسية: Mastigophora ، Sarcodina ، Sporozoa ، Ciliate و Suctoria. Mastigophora لها سوط. عموما هم طفيلي. بعضها ممرض ، والبعض الآخر ليس كذلك.
الجبائل:
إن الأسلوب الرئيسي لحركة هذه المجموعة هو حركة نوع الأموبيبات بمساعدة pseudopods. البعض لديه سوط. بعضها phagocitic ، في حين أن بعضها طفيلي. الأميبا التي تسبب الزحار الأميبي في البشر تنتمي إلى هذه المجموعة. Sporozoa طفيليات osmotropic. بعضها متحرك ، بينما يتحرك الآخرون عن طريق العمل الانزلاقي. ليس لديهم دور في معالجة مياه الصرف الصحي. هم الممرضة.
هدبي:
هذه المجموعة مهمة في معالجة مياه الصرف الصحي. هم phagotropic. لديهم شعر قصير مثل الإسقاطات (Cilia). بمساعدة Cilia يتحركون ويلتقطون الطعام. هناك مجموعتان فرعيتان ، نوع سباحة واحد مجاني ونوع مطارد آخر.
المصيصات:
يمتلكون Cilia في المرحلة المبكرة من دورة حياتهم. في وقت لاحق على تطوير مخالب. مع مساعدة من مخالب أنها فريسة على غيرها من protozoa.
الفطريات:
الفطريات هي في الغالب multinucleate ولها بنية تعرف باسم mycelium. الغالبية العظمى منها هوائية ، بينما بعضها لاهوائي. انهم يعيشون على جميع أنواع المواد العضوية ، حتى على بقايا العضوية المتدهورة البكتيرية. المجموعات الرئيسية هي: Phycomycetes، Ascomycota's، Basidioniycetes and Fungi— Imperfecti. الخمائر هي فطريات وحيدة الخلية. تتكاثر الفطريات إما عن طريق التبرعم أو عن طريق الانشطار الثنائي. لديهم بعض التطبيقات الصناعية.
في الفطريات العامة ليست ذات فائدة في معالجة مياه الصرف الصحي. بخلاف البروتستانت ، قد توجد بعض الحيوانات الهوائية متعددة الخلايا المتغايزة الصغيرة والمعروفة باسم الدوارات في وحدات معالجة مياه الصرف الصحي الهوائية. لديهم مجموعتين من أهداب تناوب على رؤوسهم. وتستخدم هذه للحركة وكذلك لالتقاط الغذاء.
التفاعل الميكروبي في معالجة مياه الصرف الصحي:
بالنسبة لمعالجة مياه الصرف ، دائمًا ما يوجد مجتمع ميكروبي يمتلك أنواعًا مختلفة من الكائنات الحية يجد طريقه إلى وحدة المعالجة. قد تدخل هذه الكائنات وحدة معالجة من البيئة المحيطة بالإضافة إلى مياه الصرف نفسها. في كثير من الأحيان يتم إعادة تدوير جزء من الكتلة الحيوية (الميكروبات) الناتجة أثناء معالجة مياه الصرف إلى وحدة المعالجة. للحد من ملوث محدد في بعض الأحيان يتم إضافة بعض الكائنات الحية.
فالمياه المستعملة تحتوي على مواد كيميائية مختلفة (الملوثات) ، ومن أجل تخفيفها ، فإن وجود أنواع مختلفة من الميكروبات مفيد وأحيانًا ضروري. تتفاعل هذه الكائنات مع بعضها البعض خلال العملية.
يمكن أن يتغير تعداد الأنواع الفردية من الميكروبات مع الاختلاف النوعي والكمي لخصائص تيار مياه الصرف الصحي الذي يدخل وحدة معالجة ، ولكن النظام قد يكون له استقرار شامل إذا كان هناك طيف واسع من الميكروبات في النظام.
ومع ذلك ، إذا تم استخدام المجتمع المحظور ، أي بعض الأنواع المختارة في حالة الجسيمات ، فقد ينزعج النظام بسهولة بسبب تغيرات الصدمات في تدفق / خصائص تيار مياه الصرف الصحي المعالجة. قد تكون التفاعلات بين الأنواع المختلفة من الميكروبات الموجودة في نظام معالجة مياه الصرف الصحي من الأنواع التالية: محايدة ، خيرة ومضادة.
التفاعل المحايد:
عندما لا تستخدم الأنواع الموجودة في نظام إيكولوجي نفس الركيزة (الغذاء) فإن متطلباتها البيئية مختلفة ولا تستخدم المنتجات الأيضية والمنتجات الثانوية لبعضها البعض ثم يقال إن التفاعل يكون محايدًا. في مجتمع الكائنات الحية الدقيقة في أي نظام بيئي مثل هذا التفاعل نادر جدا.
التفاعل الخيري:
في نظام بيئي في بعض الأحيان ، يساعد أحد الكائنات الحية على كائن حي آخر في نشاطه الأيضي أو في الحفاظ على المتطلبات البيئية ، ولا يؤذي بعضه البعض. يشار إلى هذا التفاعل بين الكائنات الحية على أنه تفاعل خير.
هناك نوعان من التفاعلات الخيّرة ، ألا وهما الطامونية والمبادلية. في بعض الأحيان يتم استخدام المنتجات الأيضية أو المنتجات الثانوية لكائن واحد بواسطة كائن حي آخر. ويسمى هذا التفاعل بين نوعين كالتفاعل المتعادل.
أمثلة على هذه التفاعلات هي:
(1) الجلوكوز أو عامل النمو الذي ينتجه كائن حي تستخدمه كائنات حية أخرى
(2) الفينول (السامة لبعض الكائنات) التي يستهلكها أحد الكائنات الحية في نظام بيئي بحيث لا تتعرض الكائنات الأخرى الموجودة في النظام للأذى.
عندما تساعد الكائنات الموجودة في النظام الإيكولوجي في مساعدة بعضها البعض ، فإن التفاعل يُسمى التبادلية. مثال على ذلك هو التفاعل بين الطحالب والبكتيريا في وحدة المعالجة الهوائية. الطحالب خلال عملية التمثيل الضوئي تنتج O 2 ، والتي تساعد البكتيريا الهوائية في نشاطها الأيضي. تساعد البكتريا المنتجة لثاني أكسيد الكربون أثناء التنفس على مساعدة الطحالب في عملية التمثيل الضوئي.
تفاعل معادي:
في بعض الأحيان يتنافس نوع واحد من الكائنات الحية مع نوع آخر من نفس المصدر أو نوع واحد يمنع نمو أخرى أو هناك علاقة مفترسة بين نوعين من الكائنات الحية. في مثل هذه الحالات ، كان التفاعل بين الأنواع معاديًا.
بعض الأمثلة للنوع العدائي من التفاعلات هي:
(1) البكتريا الهوائية الاختيارية والطارئة التي تتنافس على الأكسجين الذائب ،
(2) الطحالب المنتجة O 2 خلال عملية التمثيل الضوئي ، وبالتالي منع نمو اللاجئ الملتزم ، و
(3) Protozoa preying على البكتيريا.
علم وظائف الأعضاء ميكروب:
تحتوي الخلايا الميكروبية على حوالي 80 في المائة من الماء. الجزء المتبقي يتكون من C، O 2 ، H 2 ، N 2 ، P و S. Metals مثل Na، K، Ca، Mg، Fe توجد أيضا في الخلايا الميكروبية. غالبًا ما يتم تقريب مكونات C و O 2 و H 2 و N 2 للخلية (على أساس خالية من الرماد) بواسطة الصيغة C 5 H 7 O 2 N. لتوليف (إعادة إنتاج) ميكروبات جديدة بخلاف H 2 و O 2 (التي يمكن الحصول عليها من الماء) العناصر الرئيسية المطلوبة هي C و N 2 .
مطلوب كميات صغيرة نسبيا من P و S ، وهناك حاجة أيضا إلى كميات صغيرة جدا من المعادن المذكورة أعلاه. تحصل الميكروبات على المكونات المختلفة لتكاثرها من بيئتها (النظام البيئي). تحتاج الميكروبات أيضًا إلى الطاقة اللازمة لحركتها وكذلك للقيام بأنشطتها الأيضية (تقويضي وتقليدي).
مصادر المكونات المذكورة أعلاه المطلوبة لاستنساخ الميكروبات في نظام معالجة مياه الصرف الصحي هي:
ن 2 المصدر:
لتوليف البروتينات والأحماض النووية يجب إضافة مركبات تحمل النيتروجين إلى وحدة معالجة مياه الصرف إذا لم تكن موجودة كمكون من الملوثات الموجودة.
O 2 المصادر:
يستخدم Autotrophs CO 2 و H 2 O كمصادر O 2 . المتغايرين استخدام المركبات العضوية التي تحمل الأكسجين و H 2 O.
المصدر C:
يستخدم autotrophs غاز ثاني أكسيد الكربون كمصدر للكربون ، في حين أن المواد غيرية التغذية تستخدم مركبات عضوية كمصدر للكربون.
المصدر S:
يتم الحصول على الكبريت اللازم لتركيب البروتين من مركبات تحمل الكبريت التي توجد عادة في مياه الصرف.
ف المصدر:
يتم الحصول على الفوسفور المطلوب لتجميع الأحماض النووية والفوسفاتية من الفوسفات غير العضوي ومركبات الفسفور العضوي الموجودة عادة في مياه الصرف. من أجل نقل الطاقة للحركة بالإضافة إلى النشاط الأيضي ، تحتاج مركبات الفسفور العضوي ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات) ، ADP (أدينوسين دي فوسفات) و AMP (أدينوسين أحادي الفوسفات). يتم توليفها بواسطة الميكروبات التي تستخدم الفوسفور (غير العضوي / العضوي) الموجودة في مياه الصرف.
إن تصنيف الميكروبات على أساس خصائصها الأيضية والنشطة كما هو مبين في الجدول 9.4.
من الجدول 9.4 ، من الواضح أن العلاج الكيميائي الكيميائي مفيد للغاية لمعالجة مياه الصرف المحتوية على مواد عضوية. استخدامات الصور الفوتوغرافية هي بعض الاستخدام لأنها تثري مياه الصرف الصحي مع الأكسجين المذاب ، والتي يتم إنتاجها خلال عملية التمثيل الضوئي.
يتم استخدام المعايير التالية لتصنيف chemoheterotrophic:
1. العملية التي تلبي احتياجاتهم من الطاقة ،
2. نطاق درجة الحرارة التي تكون أكثر نشاطا.
تسمى الـ chemoheterotrophic التي تستخدم O 2 المذابة لأكسدة المركبات العضوية لإنتاج الطاقة aerobes. وتسمى تلك التي تنتج الطاقة عن طريق تحلل المركبات العضوية (عمليات التخمير) في غياب O 2 الذائبة اللاهوائيات. هناك مجموعة ثالثة ، تتصرف بشكل هوائي في وجود الأكسجين المذاب واللاهوائية في غياب الأكسجين الذائب. تسمى هذه المجموعة بالميكروبات الاختيارية. وﻳﻌﺮض اﻟﺠﺪول ٩-٥ ﺗﺼﻨﻴﻒ اﻟﻜﻴﻤﻴﺎﺋﻴﺔ اﻟﻜﻴﻤﻴﺎﺋﻴﺔ وﻓﻘﺎً ﻟﻤﺪى درﺟﺔ اﻟﺤﺮارة اﻟﺘﻲ ﺗﻜﻮن ﻓﻴﻬﺎ أآﺜﺮ ﻧﺸﺎﻃﺎً.
يتم تجميع التفاعلات الأيضية والحيوية ، والتي يتم تنفيذها من قبل chemoheterotrophic والطريق Catabolic ، والطريق الأمفيلي ، الطريق Anaplerotic وطريق الابتنائية. من خلال هذه الخطوات ، تحصل الكائنات الحية على الطاقة وتقوم بتوليف مركبات مثل الأحماض النووية ، والبروتينات ، والسكريات ، والدهون ، وما إلى ذلك ، وفي النهاية تنتج خلايا جرثومية جديدة. يتم تلخيص الأنشطة المحددة التي تمت على طول الطرق المذكورة أعلاه أدناه.
طريق تقويضي:
يتم تنفيذ أنشطة تقويمية بشكل عام على مرحلتين. في المرحلة الأولى تذوب المادة العضوية المعلقة الموجودة في مياه الصرف ويتم تحلل الجزيئات العضوية الذائبة الأكبر (spitted) إلى جزيئات أصغر. الانزيمات خارج الخلوية تشارك في هذه التفاعلات. كمية صغيرة نسبيا من الطاقة المحررة خلال هذه الخطوة ليست متاحة للخلايا (الميكروبات) كما تحدث التفاعلات خارج الخلايا. .
خلال المرحلة الثانية من عمليات تقويضية ، أنتجت الجزيئات العضوية الأصغر بالفعل داخل الخلايا. هناك المزيد من تقسيم الجزيئات المنتشرة وكذلك بعض ردود الأكسدة التي تحدث. الطاقة المحررة خلال هذه الخطوة متاحة للخلايا.
طريق الأمفيبولية:
المواد الأولية لهذه التفاعلات هي المواد (الجزيئات) المنتجة خلال المرحلة الثانية من عملية تقويضي. نتيجة لتفاعلات الأمفيبولية ، يتم إنتاج بعض المركبات الوسيطة للتخليق الحيوي ، كما تحدث بعض تفاعلات الأكسدة.
خلال العملية الهوائية ، تكون المنتجات النهائية من تفاعل الأكسدة هي CO 2 و H 2 O. إن منتجات الأكسدة خلال عملية لا هوائية هي CO 2 وبعض الجزيئات العضوية الأخرى (ليست مكونات للتخليق الحيوي). هذه يشار إليها باسم منتجات التخمير.
الطريق الوعائي:
لا تعتبر المواد الوسيطة التي يتم إنتاجها أثناء عملية الأمفيبول كافية لتلبية الطلب الكلي على عمليات التخليق الحيوي. ومن ثم يتم إنتاج بعض المركبات الوسيطة من خلال هذا الطريق.
طريق الابتنائية:
خلال هذه العملية ، يتم بعد ذلك بلمرة المركبات الوسيطة التي ينتجها الطريق الأمفيبول والطريق الالتصاقي ، وأخيرا يتم إنتاج المكونات المختلفة للخلايا. في النهاية يؤدي إلى إنتاج خلايا جديدة. وتجدر الإشارة هنا إلى أن جميع الأنشطة (التفاعلات الكيميائية) التي تحدث داخل الخلية هي إنزيم (مركبات بروتينية معقدة) محفزة.
الحركية الأنزيمية:
جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل خلايا الكائنات الحية الدقيقة (داخل الخلايا) أو على الفور - خارج الخلايا (خارج الخلوية) هي حفز الانزيم. الانزيمات هي رد فعل محدد ، أي أن كل إنزيم قادر على تنفيذ تفاعل محدد باستخدام ركيزة محددة (متفاعل).
مثل المحفزات غير العضوية ، قد تحصل على تسمم الإنزيمات (تثبيط) من قبل بعض المواد الكيميائية. تتأثر أيضًا الإنزيمات عند درجة الحرارة المرتفعة والحالة الضارة للأس الهيدروجيني ، والتي قد تكون نتيجة لبعض التغييرات الهيكلية التي تحدث فيها.
تمت دراسة حركية التفاعلات الأنزيمية من قبل العديد من العلماء. لقد طوروا معادلات معدل على أساس النماذج المقترحة. بعض من هذه تناقش أدناه. يشار إلى المعادلة الأساسية باسم معادلة ميخائيل-مينتين.
يفترض أن تحدث تفاعلات إنزيمية في غياب أي مثبط من خلال خطوتين. في الخطوة الأولى ، يتحد جزيء الركيزة (المتفاعل) (S) مع جزيء إنزيم (E) لتشكيل مجمع إنزيمي للركيزة (ES). يعتبر هذا التفاعل ليكون عكسها. في الخطوة الثانية ، يخضع المركب (ES) لتفاعل لا رجعة فيه حيث يتم تحرير جزيء الإنزيم ويتم تشكيل واحد أو أكثر من المنتجات. قد يتم تمثيل العملية ككل
بالنسبة لنمذجة تفاعل تشكيل مركب الركيزة ، تم اقتراح فرضيتين. ووفقًا لإحدى الفرضيات ، يبلغ هذا التفاعل التوازن على الفور. ووفقًا للآخر ، يصل هذا التفاعل إلى حالة "الحالة المستقرة الزائفة" على الفور ، أي أن معدل تكوين معقد ES يصبح هو نفسه معدل اختفاء المركب بواسطة التفاعل العكسي. والمعادلة النهائية التي تم تطويرها لمعدل اختفاء الركيزة / معدل تكوين المنتج متطابقة بغض النظر عن قبول الفرضية المذكورة أعلاه.
مكافئ. (9.29) تُعرف باسم معادلة ميخائيل-مينين. لتقييم الثوابت الحركية (K m وللتفاعل المحدد ، يتم الحصول على تجريبًا لتركيز الركيزة ، [5] في مقابل الوقت ، حيث يتم رسم البيانات التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة بطرق مختلفة (كما هو موضح في الأشكال 9.20A ، B ، C & D) لتقدير K m و V m تعتمد الأشكال 9.20A ، B ، C & D على الأشكال المعدلة لمعادلة Michaelis-Menten.
ردود الفعل المنع:
قد تتثبط التفاعلات الأنزيمية (المتخلفة) بطرق مختلفة. قد تكون مثبطات بعض المواد الكيميائية (I) بخلاف الركيزة ، والركيزة نفسها (عند التركيز العالي) والمنتج (عند التركيز العالي). تم وصف تفاعلات التثبيط بشكل متباين على أنها "تثبيط تنافسي" ، "تثبيط غير تنافسي" ، "تثبيط غير تنافسي" ، "تثبيط الحالة الفرعية" و "تثبيط المنتج".
فيما يلي التمثيل الرمزي للأنواع المختلفة من تفاعلات التثبيط وتعبيرات أسعارها الخاصة:
تثبيط المنافسة:
حيث [I] = تركيز المانع ،
K 1 = ثابت التوازن لتفاعل تفكك EI.
تثبيط غير تنافسي:
تثبيط غير تنافسي:
تثبيط الركيزة:
تثبيط المنتج:
حيث K p = توازن ثابت لرد فعل تفكك PES. تجدر الإشارة هنا إلى أن المعادلات والمعدلات المذكورة أعلاه تعتمد على فرضية أن التثبيط يحدث بسبب عدم توفر بعض جزيئات الإنزيم لتفاعل تشكيل مركب الإنزيم بسبب بعض التفاعلات الثانوية.
عملية النمو الميكروبية:
تحتاج الميكروبات إلى الكربون والأكسجين والهيدروجين والنيتروجين وبعض العناصر الأخرى لتخليق مكونات الخلية ، مما يؤدي في النهاية إلى إعادة إنتاج خلايا جديدة. تحتاج الكائنات الحية إلى طاقة لإجراء التفاعلات التجميعية ولصيانة الأنشطة الأخرى بخلاف التكاثر.
طاقة الصيانة تحتاج إلى الطاقة اللازمة لتنفيذ وظائف الخلية ، مثل الحركة ، التنظيم العضوي ، البلعمة ، التدفق السيتوبلازمي ، إلخ. كما تتضمن طاقة الصيانة الطاقة اللازمة لتوليف بعض مكونات الخلية ، والتي تكون مطلوبة لاستبدال المكونات المقطوعة. تتفكك بعض مكونات الخلية نظرًا لأن طاقاتها الحرة أعلى مقارنةً بتلك الكتل الإنشائية الأصلية التي يتم تصنيعها منها.
عندما يتم تلقيح خليط معد بشكل خاص من المواد العضوية (يشار إليه بالوسيط) (كما يحدث في عملية الدفعية) مع بعض أنواع الكائنات الحية ، عندئذ يمر الميكروب في هذا المزيج من خلال عملية نمو نموذجية كما هو موضح في الشكل 9.21. . يُطلق على المادة العضوية الموجودة في وسيط ، والتي تعمل كمصدر للكربون للميكروبات ، الركيزة.
وتجدر الإشارة هنا إلى أن إجمالي عدد الميكروبات الموجودة في نظام بيئي في أي لحظة من الزمن يتكون من مجموعتين ، هما "الكائنات الحية الحية" و "الكائنات الحية الميتة". الكائنات الحية قابلة للحياة هي تلك ، التي هي قادرة على التكاثر في حين أن الكائنات "الميتة" تعيش ولكن غير قادرة على التكاثر. أنها تستخدم الطاقة لتنفيذ جميع أنواع الأنشطة باستثناء الاستنساخ.
يوضح الشكل 21.9 أن معدل نمو الميكروب خلال عملية الدفعات يمر عبر مراحل مختلفة. وعادة ما يشار إليها على أنها المراحل الأولى والثانية والثالثة والرابعة.
ويطلق على المرحلة الأولى "مرحلة التأخر". خلال هذه المرحلة ، يزداد عدد السكان (الخلايا القابلة للحياة) ببطء حيث تأخذ الكائنات الحية بعض الوقت للتأقلم مع بيئتها.
تعرف المرحلة الثانية "بمرحلة السجل" حيث يزداد عدد السكان في هذه الفترة بشكل كبير باستخدام الركيزة المتاحة في الوسط.
تعرف المرحلة الثالثة باسم "المرحلة الثابتة". خلال هذه الفترة ، لا يزال عدد الخلايا القابلة للحياة ثابتًا تقريبًا بسبب عدم توفر طبقة كافية من الركيزة. معدل إنتاج خلايا جديدة خلال هذه الفترة هو تقريبا نفس معدل تحويل الخلايا قابلة للحياة للخلايا الميتة. خلال هذه المرحلة يتم استخدام الركيزة المتاحة أساسا لتلبية الطلب على الطاقة من الخلايا.
يطلق على المرحلة الرابعة "مرحلة الاضمحلال". لا توجد ركيزة خلال هذه الفترة. تقوم الخلايا باستقلاب طعامها المخزن لتلبية احتياجها إلى طاقة الصيانة. تدريجيا بعض الخلايا الخضوع للتحلل ، وهذا هو ، تفكك وبالتالي تقديم المواد العضوية إلى الخلية المتبقية لتلبية احتياجاتهم من الطاقة الصيانة. ينتج التحلل نقصًا في عدد الخلايا ، والذي يشار إليه باسم الخلية "الاضمحلال"
خلال المراحل من الأول إلى الثالث ، تلبي الركيزة المتوفرة في وسيط الحاجة إلى نمو أو صيانة الطاقة للكائنات. هذه الفترة تسمى الفترة الخارجية. خلال المرحلة الرابعة ، وفي غياب أي ركيزة ، تقوم الخلايا باستقلاب طعامها المخزن وكذلك المواد المحررة نتيجة لتحلل بعض الخلايا. ويشار إلى هذه الفترة باسم الفترة الداخلية.
وقد ذكر في وقت سابق أن chemoheterotrophic تلعب دورا رئيسيا في العلاج البيولوجي لمياه الصرف الصحي. أنها تستخدم الركيزة (الملوثات) الموجودة في مياه الصرف الصحي لتلبية المواد الخاصة بهم (للتخليق الحيوي) والحاجة إلى الطاقة. تم افتراض فرضيتين بديلتين لشرح كيفية تحقيق الميكروبات لهذا.
وفقا لخلية فرضية واحدة تخليق العضيات الخاصة بهم والمحمية (الغذائية) الذاتية باستخدام الركيزة. بالتتابع ، يتحلل جزء من الاحتياطي الداخلي لتلبية احتياجات طاقة الصيانة للخلايا.
وفقا لفرضية أخرى يتم استخدام الركيزة لتلبية متطلبات التوليف وكذلك لتلبية حاجة الطاقة الصيانة في نفس الوقت. نظريا ومنطقيا هذه الفرضية أكثر واقعية. وتجدر الإشارة هنا إلى أنه وفقا لهذه الفرضية في نهاية الفترة الخارجية ، ستلبي الخلايا احتياجاتها في مجال الطاقة على حساب الاحتياطي الداخلي.
من الأسهل صياغة نموذج رياضي يعتمد على الفرضية الأولى على الرغم من أن هذه الفرضية ليست منطقية. إن النموذج الرياضي المبني على الفرضية الثانية سيكون نموذجًا معقدًا ، حيث يجب أن يحتوي على مصطلحات لتمثيل كل من العمليات الخارجية والداخلية والمعايير المتعلقة بوقت اكتساب أهمية العملية الذاتية.
في عملية معالجة مستمرة لمياه الصرف الصحي ، يدخل أحد الملوثات التي تحتوي على ملوثات (مع وجود ميكروبات منخفضة أو شبه معدومة) إلى جزء من معدات المعالجة (مفاعل حيوي) يحتوي بالفعل على عدد كبير من الميكروبات من أنواع مختلفة. يترك النفايات السائلة مفاعل حيوي يكاد ينضب من الملوثات القابلة للتحلل. ستحتوي النفايات السائلة على عدد أكبر من الميكروبات من تلك الموجودة في المؤثر.
هذه الزيادة في عدد الخلايا تنتج من التحلل البيولوجي للكتلة الملوثة الموجودة في المؤثر. يتم استخدام جزء من كتلة الملوثات المتدهورة لإنتاج خلايا جديدة بينما يذهب الجزء الآخر لتلبية احتياجات الطاقة للخلايا. من الصعب جداً ، إن لم يكن من المستحيل تحديد كم من كتلة الملوثات المتدهورة المستخدمة لتلبية احتياجات الطاقة من الخلايا. ولكن تطوير علاقة كمية من معدل نمو الكتلة الخلوية معدل استنفاد الكتلة الملوثة ممكن جدا.
من وجهة نظر معالجة مياه الصرف الصحي ، يكون المرء مهتمًا بتطوير تعبير للمعدل الإجمالي لاستنفاد كتلة الملوثات في تيار مؤثر بحيث يمكن استخدام نفس الشيء لتصميم معدات عملية مناسبة.
حركية نمو الخلية:
تتكاثر الخلايا عن طريق الانشطار الثنائي للخلايا القابلة للحياة. ومن ثم فإن معدل نمو الخلية (الكتلة) (في حالة عدم وجود مفترسات وموت الخلايا وتسوس الخلايا) خلال عملية الدفعية يعتمد على تركيز الخلايا القابلة للحياة في المفاعل الحيوي في أي لحظة من الزمن. قد يتم التعبير عنها كـ—
حيث ، r G ، X v = معدل إنتاج الخلايا الحيوية (الكتلة) لكل وحدة حجم لمفاعل حيوي ،
[X V ] = تركيز الخلايا القابلة للحياة (الكتلة) في أي لحظة و
µ = معدل نمو محدد ثابت.
تعتمد القيمة العددية لـ i لمجموعة معينة من الجراثيم والميكروبات على تركيز الركيزة ، وتركيز العناصر الغذائية الدقيقة ، ودرجة الحموضة ، ودرجة الحرارة ، وما إلى ذلك ، في المفاعل الحيوي.
وقد حصل الباحثون ، استناداً إلى تجاربهم التجريبية في درجة الحموضة المحكومة ودرجة الحرارة وتركيز العناصر المغذية الدقيقة ، على علاقة عامة لـ µ كدالة لتركيز الركيزة [S] كما هو موضح في المعادلة. (9.36)
تم العثور على القيم العددية من µ m و K s تعتمد على درجة الحموضة ، ودرجة الحرارة وتركيز المغذيات الدقيقة لأي نظام معين الجراثيم والركيزة.
تعرف المعادلة (9.36) بمعادلة مونود. وهو مماثل في الشكل لمايكلس - معادلة مينتين للتفاعل الأنزيمي [المعادلة. (9.29)].
مزيج من المعادلات. (9.35) و (9.36) ، ينتج عنه المعادلة. (9.37)
وتجدر الإشارة هنا إلى أنه في وحدة معالجة مياه الصرف الصحي سيكون هناك مجموعة مختلطة من الميكروبات ومجموعة متنوعة من الملوثات (المواد الكيميائية). بالنسبة لمثل هذه الوحدة ، لا يمكن تجميع K و K من خلال جمع البيانات من الأدب لأنظمة معينة من الجراثيم. لكل حالة فردية يجب تقييم H m و K s بشكل تجريبي.
خلال المعالجة البيولوجية لمياه الصرف الصحي ، تستخدم الميكروبات مصادر الكربون (الركيزة ، أي المركبات العضوية القابلة للتحلل البيولوجي) للتكاثر وكذلك لتلبية احتياجات طاقة الصيانة. في الظروف الهوائية ، ستنتج خطوات توليد الطاقة كل من CO 2 و H 2 O كمنتجات نهائية ، في حين أنه في ظل الظروف اللاهوائية تكون منتجات التفاعل بشكل أساسي CO 2 و CH4.
وبما أن الركائز تستخدم لنمو كتلة الخلية وكذلك لإنتاج الطاقة ، فإن معدل نمو الخلايا سيكون أقل من معدل استخدام الركيزة. العلاقة بين الاثنين يعبر عنها عادة
حيث تُسمى y كغلة ، أي كتلة الخلايا القابلة للحياة المنتجة لكل وحدة كتلة من الركيزة المستخدمة. بما أن تيار مياه الصرف يحوي دائماً عدد من المركبات العضوية (الملوثات) فمن المعتاد التعبير عن تركيز الركيزة ، [S] ، إما من حيث BOD أو COD بوحدة mg O 2 / L وليس من حيث تركيزات الملوثات الفردية الحالية.
سيكون العائد ، y ، قيمة قصوى إذا كانت طاقة الصيانة بحاجة إلى صفر. في ظل هذا الوضع يتم تمثيل y بواسطة الرمز y g . حتى لو كانت طاقة الصيانة nil y g سيكون لها قيمة أقل من واحد حيث تحتاج عملية التخليق الحيوي (الطاقة) إلى طاقة. تم العثور على القيمة العددية لـ y تعتمد على الركيزة المستخدمة ، وتركيزها ، وأنواع الكائنات الحية المستخدمة والعوامل البيئية مثل درجة الحرارة ، ودرجة الحموضة ، إلخ.
وقد كشفت الدراسات التجريبية أن القيمة العددية لـ y تبلغ حوالي 0.5 عندما يتم معالجة المياه العادمة بالهواء. ولكن في ظل ظروف المعالجة اللاهوائية ، وجد أن قيمة y تبلغ حوالي 0.1
على الجمع بين Eqs. (9.35) و (9.38) واحد يحصل على مكافئ. (9.39)،
وتجدر الإشارة إلى أنه خلال عملية بيولوجية تصبح عدة خلايا قابلة للحياة "ميتة" وبعضها يخضع لتحلل (تسوس). ومن هنا يمكن التعبير عن المعدل الصافي لنمو الخلايا القابلة للحياة ،
وقد ذُكر في وقت سابق أن الميكروبات الموجودة في أي نظام هي من نوعين ، أي "قابلة للحياة" و "ميتة". سيكون تركيز مجموع الخلايا (الكتلة) في أي لحظة ما هو مجموع تركيز كل نوع في تلك اللحظة ،
حيث ، [X] = تركيز كتلة الخلية الكلية.
يمكن الحصول على تعبير عن معدل التغير في إجمالي كتلة الخلية خلال عملية خارجية من خلال الجمع بين المعادلات. (9.40) ، (9.41) و (9.42)
التفاعلات الكيميائية الحيوية هي في الأساس تفاعلات كيميائية محفزة بواسطة إنزيمات (إضافية / داخل الخلايا). لذلك ، ثوابت معدل معين ، على سبيل المثال ، p ، b و y تعتمد على درجة الحرارة. تزداد قيمها العددية مع زيادة درجة الحرارة. يمكن تمثيل اعتمادهم على درجة الحرارة بعلاقة نوع أرينيوس ،
ومع ذلك ، غالبا ما يتم التعبير عن العلاقة تجريبيا
حيث يتوافق k 0 مع بعض درجة الحرارة الأساسية f 0 المعبر عنها في ° C و k تقابل درجة حرارة التشغيل ° C. تم العثور على القيمة العددية لـ O تتراوح بين 1.03 إلى 1.1. عموما يتم أخذ 1.08.
تعتمد القيم العددية للبارامترات الحركية التي تم تقييمها تجريبيا ، µ m ، K s ، ϒ و b على تركيبة الكائن الركيزة ، وكذلك تركيز المغذيات ، ودرجة الحموضة ودرجة الحرارة الحفاظ عليها خلال تحقيق معين.
وقد لوحظ أنه بالنسبة لركيزة قابلة للتحلل بسهولة ، تكون القيمة العددية لـ µ m عالية ، في حين أن قيمة الركيزة التي يصعب تقليل قيمتها µ m منخفضة. تكون القيمة العددية لـ K s منخفضة في حالة الركيزة القابلة للتحلل بسهولة والعالية للطبقة التحتية التي يصعب تحللها. بعض القيم النموذجية للمعلمات الحركية لعمليات معالجة مياه الصرف الصحي الهوائية المختلطة مذكورة في الجدول 9.6
بشكل عام ، من المفترض أن b v = b d .
وقد وجد أن معدل نمو الكتلة الخلوية القابلة للحياة لكل من العمليات الهوائية والعمليات اللاهوائية يتبع المعادلة. (9.37). تظهر البيانات التجريبية أنه بالنسبة للعمليات اللاهوائية µ m أقل و K s أعلى مقارنة بتلك الواردة في العمليات الهوائية في الجدول 9.6.
