Biológiai műveletek
Biológiai szennyvíztisztítás „klasszikus” modellje (városi szennyvíz tisztítására)
Mikroorganizmusok, sejt – és szövettenyészetek felhasználása műszaki feladatok megoldására. Mikroorganizmusok irányított tevékenysége ( fermentáció ) ( Fermentor – bioreaktor ) A műszaki műveletek célja a fermentáció optimális körülményeinek biztosítása ( pl. keverés, oxigénbevitel, hűtésfűtés …..) A biológiai műveletek (egyelőre?) gazdaságosan nem helyettesíthetők sem fizikai, sem kémiai eljárásokkal.
A folyadékban ( vízben ) található szerves szennyeződések kvantitatív jellemzésének lehetőségei:
A minta teljes oxidációjával (elégetésével) nyert CO2 mérésével
?
Az összes szerves és szervetlen anyag oxigénigénye ( TOD ).Katalítikus oxidáció, O2 fogyás mérése alapján.
KMnO4, K2CrO4 nedves oxidációjából nyert oxigénfogyás alapján
1
Viszonylag gyors eredményt ad „5 nap”
A szennyvizekben levő, biológiailag bontható szerves anyagok koncentrációját jellemzi, és heterogén baktériumok általi biológiai lebontása során meghatározott idő és hőmérséklet mellett elfogyasztott oxigén mennyiségét jelenti.
A fermentáció „nyersanyaga” a szennyvíz finom lebegő kolloid és oldott szerves anyaga.
reakciótermékek Szilárd (baktériumszaporulat) Biológiai eljárás
Ülepíthető, szűrhető
Stabil oldott reakciótermékek (HCO3-, NO3-,…) Gáz (CO2, CH4, H2S, NH3, N2….)
Mikroorganizmusok
Példák a fermentáció alkalmazására: Nem aszeptikus ( „nem steril” ) műveletek pl: -szennyvíztisztítás
Prokarióták: (nincs valódi sejtmag) •Baktériumok
-biogáz előállítás
•Kék algák
-bor erjesztése
•Sugárgombák
-fém kinyerés
Jellemzőik: •*Rendkívül gyors szaporodás
-sörgyártás
•*Nagy alkalmazkodóképesség
-alkoholok gyártása
Aszeptikus eljárások pl: -antibiotikumok gyártása -protein előállítás
•Moszatok: •Gombák:
Nem aszeptikus műveletek, beoltással pl: -tej fermentációja
Eukarióták: (valódi, elkülönült sejtmag)
Méretük ~ 1µm
•Protozóák :
Méretük ~ 10µm
Műszaki műveletekkel leválasztható?
2
Mozgás? Anyagcsere Az „életjelenségek” Szaporodás
(ezek alapján különbözteti meg a szemlélő, az „élettelent” az „élőtől”.)
Biológiai szennyvíztisztítás
Szilárd fázis elválasztása
Reaktorokban (fermentorok): pl: -oxidációs árok -eleveniszapos rendszer
Az „élet-tevékenységek” energiát igényelnek! Fotoszintezicáció
Kémiai(reakció) eredetű energia
A reaktorok felosztása:
-flotálók -centrifugák
-iszaprothasztó tartály Reaktorok azok a készülékek, melyekben a kémiai, biokémiai reakciók lejátszódnak. A reakció sebessége a reagáló anyagok tulajdonságaitól, és reaktor kialakításától, főleg hidraulikai tulajdonságaitól függ.
Töltött toronyreaktorok:
Tartályreaktorok: homogén közegben oldott, illetve szuszpendált szennyezőanyagok és baktériumok (pl.eleveniszapos levegőztető-medence)
Co
-ülepítők
a baktériumok szilárd töltet felületén szaporodnak (pl. csepegtetőtest, merülőtárcsa)
CKI
oxigénbevitel
Keverős tartályreaktor:
Energiaforrás
A keverőszerkezet miatt az elegykoncentráció a reartortérben homogén. A belépő szennyvíz azonnal felhígul (ipari szennyvizek esetleges mérgező hatása csökken)
-Az élet fenntartásához -Testfelépítéshez -Szaporodáshoz
Fototrofok:
Kemotrofok:
-Zöld növények (klorofilek) -Fotoszintetizáló algák
3
Kemotrofok: Darabos és kolloid szerves szennyeződés
Hidrolizáció, „elfolyósodás”
Testen kívül ható enzimek (exoenzimek)
Anyagfelvétel a sejthártyán keresztül
Energianyerés (oxidáció)
Sejtanyag szintézis (szaporodás)
ATP=>ADP
A szervesanyag-tartalmú szennyvizek lebontását általában heterotrof baktériumok végzik.
Szénvegyületek lebontása molekuláris O2 jelenlétében, vagy hiányában is!: fakultatív aerob mikroorganizmusok
A szervetlen összetevők (elsősorban NH+4 ) oxidációja autotrof mikroorganizmusokkal. Kemoautrof organizmusok ( nitrifikáló-és szulfátbaktériumok ) szervetlen anyagok oxidációja: NH+4
NO-3
S-2 Lebontás csak molekuláris O2 jelenlétében: obligát aerobok
Lebontás molekuláris O2 távollétében: obligát anaerobok
Valamennyi mikroorganizmusnak szüksége van szervetlen tápanyagokra, felvehető, oldott, ionos formában: PO43-, NH+4 , SO42,nyomelemek.
A biológiai műveletek külső (környezeti) feltételei:
Anyagtraszport:
1.Víz jelenléte 2.Tápanyagok ( szerves BOI5, szervetlen )
víz levegő:
O2
Folyadék film
biofilm
diffúz ió
Enzimes reakció
abszorpció ió fúz dif
3.Megfelelő hőmérséklet (reakciósebesség) 4.Megfelelő Ph
Hordozó anyag
Oldódás
5.Toxikus anyagok csak kis koncentrációban (nehézfémek, savak, lúgok, aromások, peszticidek…) -Pszihofilek: 20 oC alatt -Mezofilek: 20…45 oC
pció deszor
termékek CO2, NH3, CH4
SO42-
-Termofilek: 50 oC felett Lebontandó szerves anyag
Műszaki feladat: melegítés-hűtés, oxigénellátás
4
6. Oxigénkoncentráció – igény szerint:
Biokémiai reakciók.
- Aerob - Fakultatív - Anaerob
1.Irreverzibilisek ( a végállapot a reagáló komponens egyikének fogyásával megadható)
7.Biológiai tényezők:
2.Heterogén reakciók (diszperz rendszerek)
-Szelekció: természetes kiválasztódás, egyes fajok szaporodása, mások esetleges eltűnése
3.Jellemző a reagensek és a termékek kis koncentrációja (anyagtraszport jelentősége)
-adaptáció: a sejtek megváltozott környezethez való alkalmazkodása (pl. megváltozott tápanyag kínálat):
4.Reakciók sorozata (egymásutánisága) 5.Termékgátlás - inhibíció
inaktív —> aktív állapot -Életközösségek – biocönózis => rendkívül rugalmas rendszer
Iszapszaporodási görbe
Oldott oxigénigény szükséglet
5
A biológiai szennyvíztisztítás fő eljárásai: 1. Csepegőtestes -töltelékes -merülőtárcsás 2. Eleveniszapos -felszini levegőztetés -sűrített levegős -oxidációs árok 3. Tavas -aerob -anaerob -fakultatív
Töltet: -zúzott kő -műanyag -( mérete, hézagtérfogata, felülete)
-hatékony előülepítés -biológiai hártya mérete, minősége -a szennyvíz minősége (toxicitás, szervesanyag terhelés, recirkuláció) -oxigénbevitel -vízelosztás Az egyik legmegbízhatóbb biológiai tisztítási eljárás.
Melyik töltetet választaná? Miért?
6
Merülőtárcsás szennyvíztisztítók:
levegő
7
Eleveniszapos szennyvíztisztítás:
Oxidációs árok
O2
Szakaszos működés
Szennyvíztisztító tavak: Aerob: 0,5…1m mélységű, ( cirkuláció nélküli eleveniszapos rendszer, oxigént termelő algák, termikus keveredés) Anaerob: 2m-nél mélyebb.( teljes térfogatában anaerob viszonyok)
Fakultatív tó: 1,2…1,8m mély. (aerob felszíni, anaerob fenékzóna (anaerob iszapbomlás).
Iszapstabilizáció Aerob ~ Szerves anyagok Heterotrof baktériumok
CO2 , H2O
Anaerob ~ Szerves anyagok Négy fázisú, különböző baktériumcsoportok tevékenysége CO2 , CH4
8
Szakaszos üzem
9
Biológiai gáztisztítás
Gázmosás eleveniszapos technológiával kombinálva
-nagy fajlagos felület -egyenletes töltetelosztás
10
