I. Przegląd systemów biologicznego oczyszczania ścieków
Nowoczesne biologiczne oczyszczanie ścieków ogólnie dzieli się na trzy etapy:
- Oczyszczanie pierwotne (oczyszczanie fizyczne): Przechwytywanie przez sito prętowe, osadnik wstępny
- Oczyszczanie wtórne (oczyszczanie biologiczne): Zbiornik napowietrzający, osadnik końcowy
- Oczyszczanie trzeciorzędne (oczyszczanie biologiczne/fizykochemiczne): usuwanie azotu i fosforu
Osad jest oddzielnie dostarczany do systemu fermentacji osadu.
W zależności od zapotrzebowania na tlen, oczyszczanie biologiczne dzieli się na oczyszczanie tlenowe (proces osadu czynnego, zbiornik utleniający, kanał utleniający, filtr zraszający, obrotowy kontaktor biologiczny itp.) i oczyszczanie beztlenowe (fermentacja osadu).
II. Społeczność drobnoustrojów w osadzie czynnym
Proces osadu czynnego opiera się na ekosystemach heterotroficznych składających się ze skupionych mikroorganizmów, w tym bakterii, grzybów, pierwotniaków i metazoa, oczyszczających ścieki. Najniższy poziom troficzny tworzą bakterie heterotroficzne i wolno żyjące grzyby heterotroficzne. Pożerają je pierwotniaki heterotroficzne, które są następnie zjadane przez drapieżniki wtórne, takie jak wrotki i nicienie, ostatecznie realizując oczyszczanie ścieków.
(I) Bakterie – główna siła degradacji materii organicznej
Bakterie są najważniejszą grupą drobnoustrojów w osadzie czynnym, pełniącą dwie podstawowe funkcje: degradację materii organicznej i tworzenie się kłaczków.
Rodzaje bakterii rozkładających organicznie
Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, Bacillus
- Dominujące degradatory węglowodanów:Pseudomonas
- Dominujące degradatory białek:Alcaligenes, Flavobacterium, Bacillus
(II) Mechanizm powstawania kłaczków
Kłaczki osadu czynnego powstają w wyniku synergistycznego działania trzech składników:
- Bakterie tworzące kłaczki (Zooglea ramigera): W kształcie pałeczki, Gram-ujemne, otoczkowane i niezarodnikujące. Powodują agregację bakterii poprzez polimery zewnątrzkomórkowe i substancje międzykomórkowe.
- Umiarkowane bakterie nitkowate: zapewniają nitkowate ramy dla kłaczków, umożliwiając przyczepianie się i wzrost bakterii tworzących kłaczki, w tym głównie:
- Bakterie nitryfikacyjne
- Sferotilus(bakterie żelaza)
- Beggiatoa(bakterie utleniające siarkę)
- Thiotrix(bakterie redukujące siarkę)
- Orzeski: wydzielają mukoproteiny i polimery polisacharydowe, tworząc struktury mostkowe i ułatwiające flokulację.
(III) Grzyby – degradatory materiałów ogniotrwałych
Grzyby mogą rozkładać oporne, trudne do biodegradacji substancje organiczne przy stosunkowo niskim tempie degradacji. Umiarkowane włókna grzybowe służą jako rdzenie kłaczków i poprawiają wydajność flokulacji i sedymentacji. Jednakże nadmierny rozwój grzybów prowadzi do pęcznienia osadu i jego słabych właściwości sedymentacyjnych.
Przyczyny nieprawidłowego, masowego wzrostu grzybów:
- Spadek temperatury
- Niska wartość pH
- Wysoki stosunek C/N w ściekach
- Nadmierne obciążenie organiczne
- Obecność siarczków
(IV) Pierwotniaki – organizmy wskaźnikowe jakości wody
Pierwotniaki powszechne w osadzie czynnym:
- Pierwotniaki ameboidalne
- Wiciowce (fitoflagellaty i zooflagellaty)
- Orzeski: orzęski swobodnie pływające i orzęski łodygowe
Znaczenie wskaźnika: Obecność orzęsków jest kluczowym wskaźnikiem skutecznego leczenia biologicznego. Wiciowce mają słabą konkurencyjność w stosunku do żywności i przeżywają jedynie w ściekach o wysokim stężeniu.
(V) Metazoa – drapieżniki wtórne
Metazoa żywią się bakteriami i małymi pierwotniakami jako drapieżnikami wtórnymi. Wydłużają łańcuch pokarmowy i znacznie zmniejszają wydajność osadu. Reprezentatywne gatunki obejmują wrotki i nicienie.
III. Trzy etapy powstawania osadu
Proces usuwania substancji organicznych z osadu czynnego zbiega się z tworzeniem osadu, który składa się z trzech kolejnych etapów:
Krok 1: Transfer masy – Adsorpcja i wychwyt
Osad powrotny natychmiast fizycznie adsorbuje substancje koloidalne i nierozpuszczalne BZT ze ścieków, po czym następuje stopniowe wchłanianie rozpuszczalnych substancji organicznych do komórek drobnoustrojów w celu rozkładu metabolicznego.
Krok 2: Transformacja metaboliczna – biodegradacja
Substancje organiczne ulegają przemianom metabolicznym, w tym hydrolizie, glikolizie (węglowodany), dekarboksylacji, deaminacji (białka) i β-utlenianiu (lipidy). Rozłożone substraty wchodzą następnie do cyklu TCA i łańcucha transportu elektronów, aby wytworzyć energię, a dwutlenek węgla i woda są końcowymi produktami ubocznymi metabolizmu.
Krok 3: Flokulacja – wytwarzanie dobrze osadzających się kłaczków
Wraz ze spadkiem stężenia substancji organicznych mikroorganizmy wchodzą w fazę endogennego rozkładu. Polimery polisacharydowe są wydzielane wokół powierzchni komórek w celu zwiększenia spójności, tworząc gęste, dające się osadzać kłaczki, które umożliwiają separację ciała stałego od cieczy w końcowym osadniku.
IV. Warunki środowiskowe degradacji materii organicznej
- Temperatura: 20–30°C, reguluje aktywność enzymatyczną drobnoustrojów
- Składniki odżywcze: BZT: N: P = 100: 5: 1; dodatkowo wymagane są pierwiastki śladowe K, Ca, Fe, Mg
- Rozpuszczony tlen (DO): 0,5–1 mg/l na wlocie zbiornika, 2–3 mg/l na wylocie; tempo metabolizmu gwałtownie spada, gdy DO jest poniżej 0,5 mg/l
- Wartość pH: 6,5–7,5, optymalna przy lekko zasadowym 7,2–7,4; mikroorganizmy nie mogą przetrwać w pH < 4 lub pH > 10
- Substancje toksyczne: Ranking toksyczności metali ciężkich: Ag > Hg > Sn > Cu > Cd > Cr
