多糖的降解
某些废水常含有多糖。其中纤维素和半纤维素大量存在于木材及非木材等造纸原料中,因而在制浆造纸工业废水中也含有相当多的纤维素、半纤维素及其在制浆过程中的降解产物。淀粉作为食品与饲料工业原料因而存在于食品工业废水中。果胶是黏性的多糖,通常在水果罐头加工废水中较多,造纸工业废水中也含有一定量的果胶或其降解物。
多糖中的纤维素、支链淀粉或相对分子质量特别高的直链淀粉以及用Ca2+沉淀的果胶不溶解于水。上述其他的多糖能够溶于热水,这说明它们能够以溶解性的 COD 存在于废水中。
纤维素的基本组成单位是脱水纤维二糖(C12H12O10)而不是脱水葡萄糖单位(C6HnO5)。令人有趣的是,脱水纤维二糖为纤维素的基本组成单位,不仅为纤维素研究者所公认,而且也为真菌和细菌的纤维素水解酶所识别。纤维二糖是这些酶系水解纤维素时的主要产物,或是进一步水解成葡萄糖的中间体。
纤维素分子的大小常用多聚化的程度 DP ( degree of polymerization )来表示,也即分子中葡萄糖分子的数量。高等植物形成的纤维素分子的 DP 为14000。不同来源的植物纤维分子的 DP 值似乎相当恒定,表明这种纤维素中葡萄糖分子数量的多少是由植物在合成纤维素 时控制的。而由细菌合成的纤维素,其 DP 值较低,如由木醋酸杆菌( Acetobacter xylinum) 合成的纤维素DP为34700。
纤维素能够由微生物所分泌的胞外纤维素陷水解为单糖和双糖,即葡萄糖和纤维二糖。类似的、淀粉和果胶也能被淀粉酶和果胶酶水解。纤维素酶仅能由少数微生物产生,而绝大多数微生物能产生淀粉酶和果胶酶。 Lamed 等(1983)发现在热纤梭菌的表面存在着分散而不连续的细胞表面细胞器﹣﹣纤维素体。在这种纤维素体中存在着一种高分子量的、连接纤维素的、含有多个纤维素酶的蛋白质复合物,在水簿纤维素前细菌细胞首先通过这种纤结素体去强烈黏附在纤维素上。后来发现这种纤维素体具有纤维素水解活性。其由14个多孩亚单位组成,最大亚单位的分子量为210000,这些各异的纤维素酶相互协同水爆纤维素复杂的庇护品体结构。一般多塘都能被厌氧微生物降解,淀粉与果胶的生物降解非常迅速,甚至接近于单糖的发酵速度。但维素生物降解要慢得多。
纤维素的降解速度主要受到两个不利因素的影响:一是纤维素总是被木素所包裹;二是纤维素结晶体是由线形分子平行排列组成,结构紧密。天然纤维素在其形成过程中,总是随着木素的形成,因此它总是以"木素﹣纤维素"形式存在,木素致密而不透水,对纤维素起到保护的作用。在生物降解过程中,纤维素酶难以接触到纤维素,因而降解难以进行。已证明去除木素后的纯纤维素的生物降解要快得多。纤维素的可降解性很大程度上取决于木素除去的程度及其化学性质的改变程度,例如制浆造纸中以碱或酸去除木素。因此纸张及造纸废水中的纤维比木材的生物可降解性要大得多。
脂肪和长链脂肪酸的降解
动物、植物和许多种类的微生物具有不同程度的能力合成不同种类的脂肪酸,脂肪酸可与甘油构成脂肪,与磷酸构成磷脂,与糖构成糖背脂等。其中许多在这些生物体死亡之后又回归到大自然中,重新被微生物分解为甘油等和脂肪酸。在许多以油脂为原料或辅料或滑剂以及合成油脂的生产过程中,有相当数量的含脂肪酸废水,成为大自然的污染物之一。脂肪酸分子由非极性的碳氢链和极性的羧基基团组成,因此一个分子有疏水和亲水两分,而且长链脂肪酸的碳氢链占有分子体积的极大部分,因而就分子总体来说是疏水而脂性的,但分子中存在有极性基团,所以分子仍可为水所浸润。这对于脂肪酸被微生物所氧。降解至关重要,因为任何物质被微生物分解的第一步是被微生物黏附和侵袭的媒介。当脂5溶解在水中时,它可以迅速被脂肪酶水解。但仅在 pH =8以上脂肪才可能溶解,在中性特别是酸性条件下的脂肪是不溶解的。因此在 pH =6.0以下脂肪的水解很慢。长链脂肪酸本身的厌氧降解是一个厌氧氧化的过程。其末端产物主要为乙酸和氢气,们分别占整个末端产物 COD 的67%和33%。长链脂肪酸的降解会因乙酸和氢气的积累而到抑制。因此,只有在厌氧系统中存在甲烷菌并能有效利用乙酸和氢气,长链脂肪酸才能酸化。因此长链脂肪酸被归类为互养型的底物。如果甲烷菌完全受到抑制(例如在酸化反器中),那么长链脂肪酸将不会降解或只部分降解。高浓度的长脂肪酸对微生物有抑制用,在此情况下,其降解有一个较长的停滞期,一旦菌种对此适应,且乙酸和氢浓度保持8低水平,它们仍能被迅速降解,试验是游液中添加葡萄糖或不加葡萄糖的两种情况下进行的。从中可以看由于易酸化的葡萄糖产的乙酸和的影响和长链脂肪酸浓度的增加,其降解过程中的停滞期增加。
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