Microbiological basis

Presentasjon om: "Microbiological basis"— Utskrift av presentasjonen:

1 Microbiological basis
Microorganisms in water: bacteria eukaryotes algae fungi protozoa viruses rotifers worms TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

2 Bacteria: Classifying bacteria: physical characteristics
physiological responses TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

3 Autotrophs – no reduced organic source
Nutritional types: Energy source Carbon source + (the same substrate may serve both functions) Energy: Phototrophy – energy from sun light Heterotrophy – energy from oxidation of reduced organic matter Autotrophy – energy from oxidation of inorganic compounds Autotrophs – no reduced organic source Heterotrophs – require reduced carbon-containing compounds TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

4 Oxygen requirements (ORP):
Oxygen for metabolism Aerobic: need oxygen, obligate aerobes die without Anaerobic: no oxygen, strict anaerobes killed by O2 Facultative: (microaerophilic) (Salmonella) switch modes, O2 preferred → greater yields TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

5 Mikrobiologisk grunnlag
Sammensatt: bakterier sopp protozoer alger (virus) substrat og energi omsetninger anabolisme - oppbygging av cellemateriale katabolisme - nedbryting av substrat TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

6 Prinsipp: substrat og energi omsetning
anabolisme Substrat (elektrondonor) Oksydert produkt Oksydert produkt ATP/ADP energi bæreren syntese forbruk Celle komponenter Enkle forbindelser katabolisme TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

7 Substrate limiting phase
Vekstskurver for biomasse: Monod: - rent kultur, ideell media Stationary growth Log growth Decreasing growth Increasing death Lag phase Log death Log growth phase + Substrate limiting phase # av bakt. Tid TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

8 Cellevekst = f(substrat)
Vekst kinetikk: vekst av cellemasse celle død Monod ligningen: Cellevekst = f(substrat) hastighet [S] mmax kun en substrat initial hastigheter må ekstrapoleres konsentrasjon av E er konstant [E] > [S]o for å bruke steady state temp., pH, IS er konstant TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

9 KsA < KsB mA < mB Cellevekst: m B A [S]
I et sammensatt biologisk renseanlegg uttrykkes substrat konsentrasjonen som; BOD, COD, TOC. KsA < KsB mA < mB TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

10 Anvendelse av Monod ligningen:
Er tilpasset og modifisert til å brukes i sammensatte reaktorer Innvirkning av oksygen Inhiberings mekanismer (Haldane modellen) Det er utviklet flere ”semi-strukturert” modeller for å beskrive sammensatte biologiske reaktorer TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

11 Faktorer som påvirker vekst og omsetning:
lys / mørke pH temperatur ionestyrke, saltholdighet hydrostatisk trykk reduksjon/oksydasjon nivå (elektronakseptor) 1. lys/mørke: fotosyntese organismer lys aktivert enzymsystemer 2. Hydrostatisk trykk avtar med økende trykk høgt trykk vil drepe organismer 3. saltholdighet generelt avtar vekst med økende saltholdighet 4. red/oks nivå evne til a benytte andre elektronakseptor enn O2 TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

12 5. pH: optimal, minimal og maksimal pH verdi for vekst bestemt av organismens enzymsystem m pH 9 6 7 8 5 normalt - pH 5 - 9 TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

13 1/T 6. Temperatur Arrhenius - enzym reaksjonen når T
Reaksjonsgrense - irreversible, deaktiverer, lysis 4 3 2 1 1. logaritmisk vekst 2. logaritmisk etter Arrhenius 3. optimal vekst temperatur 4. avtar raskt etter optimal temp. ln m m dobles over 10oC i 2. 1/T TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

14 Vekst kinetikk i en bio-reaktor
Massebalanse mht X i en ideell blandet reaktor: uttrykker cellemassens oppholdstid i reaktoren Hvor: Hydraulisk oppholdstid: Løst mht S: TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

15 Biologiske enhetsprosesser
Biologiske systemer Suspendert Fastsittende Aktivslam: Bio-film: O2 O2 TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

16 Aktivslam reaktorer: Arden og Lockett observerte at når masse ble tilbakeholdt under lufting dannet det seg biologiske fnokker. Rensetiden avtok med økende mengde bio-fnokker Opprinnelse: Prinsippskisse: Q, So, Xo V, S, X Qr, Xr Qe, Se, Xe Qw, Xw =Xr Q(1+r) Reaktor Sedimentering Returslam O2 TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

17 Reaktor hydraulikk: Massebalanse mht cellemasse: (steady state)
Q, So, Xo V, S, X Qr, Xr Qe, Se, Xe Qw, Xw =Xr Q(1+r) Reaktor Sedimentering Returslam Massebalanse mht cellemasse: (steady state) TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

18 Cellevekst som funksjon av slamalder:
Substrat kons. som funksjon av slamalder: Biomasse konsentrasjon i en reaktor: (steady-state) TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

19 Growth of microorganisms:
Where: rg-spec is the specific growth rate rsu is substrate utilization rate Y is the yield factor Growth (substrate limiting conditions): Net growth rate: Endogenous decay: Substrate utilization: TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

20 Important parameters in biological treatment:
Food to microorganism ratio – F:M Describes the degree of starvation of the microorganisms F:M ratio (U) from mass balance: (for complete removal of BOD) Represents the organic loading (slambelastning - F) TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

21 Sludge age: Sludge age Determined through mass balance analysis
Non recycle: Q Q-QW QW X QR XR Q+QR X Recycle: Q QW Q-QW Q, X X Determined through mass balance analysis Production rate = net generation rate of solids TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

22 Non recycle systems: Production rate: SRT: (SRT=HRT in this case)
rSU is also the rate of water treatment: -UX TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

23 minimum sludge age → maximum rate of sludge growth
Expressing sludge age in terms of substrate: Minimum sludge age: minimum sludge age → maximum rate of sludge growth or: For So>>K: TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

24 Recycle systems: Mass balance:
Same approach as for the non recycling systems yields: SRT: TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

25 Expressing sludge age in terms of substrate:
“Concentration factor” due to recycling: minimum sludge as the same as for non recycling SRT order of magnitude greater then HRT process controlled of rate of recycle TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

26 Rate of recycle: r → ratio of recycle Determined through mass balance:
Q Q-QW QW X QR XR Q+QR X r → ratio of recycle Determined through mass balance: Simplifying using sludge age expression: TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

27 Sludge volume index (SVI):
Solving for r: Where: Is a measure of sludge compactibility Sludge volume index (SVI): measure of sludge settleability and compactibility Sludge volume in mm, occupied by 1 g of sludge, for a given time t TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

28 Biofilm anlegg: TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

29 1890 - Winogradsky oppdaget biologisk oksydasjon av ammonium
Nitrifikasjon: Winogradsky oppdaget biologisk oksydasjon av ammonium To trinns prosess: Nitrosomonas - Nitrobakter - Sum: - Chemoautotrophs - oksydasjon av uorganisk nitrogen der karbonkilden er CO2. TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

30 Nitrifikasjonskinetikk
Generelt: saktere veksthastighet enn heterotrofe bakterier Monod Temp. Effluent konsentrasjon Typiske verdier Nitrosomonas Nitrobakter mmax KN KDO TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

31 Heterotrofe bakterier som bruker nitritt/nitrat som elektronaksepter
Denitrifikasjon: Heterotrofe bakterier som bruker nitritt/nitrat som elektronaksepter når oksygen ikke er tilstede - anoxisk prosess. Overordnet prosess uten cellesyntese: Oksygen bør være lavere enn 0.2 mg/l i aktivslamanlegg. Prosessen øker alkaliteten - teoretisk 1 mol OH- per mol NO3--N. (0,0714 mekv/mg) Omsetningen reduseres drastisk under pH = 6.0 Prosessen krever et karbon kilde (metanol, eddiksyre, avløpsvann) Prosessen er sterkt temperatur avhengig. Optimal = 40ºC, min = 0 ºC, maks = 50 ºC. TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

32 Kinetikk - Monod type ligning
der: D = nitrat-nitrogen (mg/l) KD verdien en lav ( mg/l) I praksis en 0.ordens reaksjon mht nitrat. Effekten av andre forhold som påvirker prosessen inkluderes ofte TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

33 Nitrifikasjon og Denitrifikasjon i AS og Biofilm anlegg: TVM 4145
Vannrenseprosesser TorOve Leiknes

34 Kombinert nitrifikasjon/denitrifikasjon prosesser
Anoxisk Aerob Sedimentering R-2 R-1 TVM 4145 Vannrenseprosesser TorOve Leiknes