Wykorzystanie zanieczyszczeń przez bakterie osadu czynnego.

Po kilku godzinach przetrzymywania ścieków w komorze, są one przepuszczane do osadnika wtórnego, w którym zachodzi oddzielenie kłaczków od oczyszczonych ścieków. Kłaczki osadzają się na dnie osadnika i są recyrkulowane albo z powrotem do komory napowietrzania, by utrzymać stężenie biomasy (osad powrotny), albo do osadnika wstępnego i wraz z osadem wstępnym usuwane z obiegu oraz unieszkodliwiane (osad nadmierny). Układ technologiczny procesu osadu czynnego przedstawia rysunek:

Układ oczyszczalni ścieków z osadem czynnym:

1 - osadnik wstępny, 2 - komora osadu czynnego, 3 - osadnik wtórny, 4 - stacja pomp osadowych, Q_ść - ścieki, Q_n - osad nadmierny, Q_r - osad powrotny

Jako, że elementem oczyszczającym w tej metodzie są kłaczki zlepionych bakterii, dlatego ważne jest, aby proces flokulacji przebiegał prawidłowo i aby powstałe kłaczki miały odpowiednią wielkość, kształt i strukturę. Flokulacja zależy od stopnia obciążenia osadu ładunkiem zanieczyszczeń. Przy bardzo wysokim i bardzo niskim obciążeniu obserwuje się bowiem zjawisko deflokulacji, czyli rozpraszania się bakterii skupionych w kłaczki. Gdy osad jest nadmiernie obciążony, kłaczki są nie dotlenione, natomiast w przypadku niedociążenia bakterie giną z braku pokarmu.

Wielkość kłaczków jest istotną cechą wpływającą na efektywność oczyszczania. Zależą od niej dwa ważne procesy: biosorpcja (pochłanianie zanieczyszczeń ) i sedymentacja (opadanie kłaczków). Biosorpcja jest etapem poprzedzającym biodegradację i zależy od wielkości powierzchni kłaczków. Powierzchnia ta jest tym większa, im kłaczki są mniejsze. Jednak zbyt małe kłaczki, choć mają dużą powierzchnię sorpcyjną, źle opadają w osadniku wtórnym. Może to prowadzić do wtórnego zanieczyszczenia odbiornika, do którego odprowadza się oczyszczone, ale nie oddzielone od kłaczków ścieki. Natomiast kłaczki zbyt duże, choć świetnie sedymentują, to jednocześnie słabo oczyszczają ścieki. Wynika to z faktu, że bakterie umieszczone w centralnej części dużego kłaczka mają utrudniony dostęp do tlenu i zanieczyszczeń będących substratem pokarmowym. Kłaczki muszą więc wykazywać właściwy stan rozdrobnienia zapewniający odpowiednie warunki tlenowe i pokarmowe. Kształt kłaczków jest cechą, która może wskazywać na pewne niekorzystne zjawiska w osadzie. Np. kształt gwiaździsty, pierzasty czy siatkowaty wiążą się zwykle z obecnością mikroorganizmów nitkowatych (głównie bakterii i grzybów), których obecność w osadzie jest niepożądana, gdyż powodują jego puchnięcie.

Struktura kłaczka może być spoista bądź luźna. W warunkach niedotlenienia lub braku pokarmu kłaczki przybierają formę zbitych, obłonionych tworów koloru szarego. Obecność takich kłaczków w osadzie powoduje spadek jego aktywności. Wiele różnych czynników powoduje rozluźnienie kłaczków. Należą do nich: rozwój form nitkowatych, nadmiar lub niedostatek tlenu, przeciążenie osadu lub warunki głodowe.

Niekorzystnym zjawiskiem obniżającym zdolności sedymentacyjne kłaczków jest puchnięcie osadu czynnego. Z puchnięciem mamy do czynienia, gdy zwiększa się objętość osadu przy zachowaniu tej samej masy. Liczbowo wyraża to indeks osadu, który przedstawia objętość (w ml) jednego grama jego suchej masy. Indeks wyraża więc gęstość osadu, lub stopień uwodnienia. Jeden gram suchej masy dobrze pracującego osadu czynnego ma zwykle objętość 67 ml (indeks = 67ml/g). Indeks osadu spuchniętego mieści się w granicach od 100 - 400 ml/g. Spuchnięty osad jest co prawda bardzo aktywny (duża powierzchnia biosorpcyjna), jednak z powodu obniżonej opadalności nie może być on oddzielony od oczyszczonych ścieków w osadniku wtórnym . Wiele jest przyczyn puchnięcia osadu. Bezpośrednią przyczyną tego zjawiska mogą być organizmy nitkowate, bakterie zooglealne, rozproszenie kłaczków lub wzrost lekkości osadu spowodowany wydzielaniem się pęcherzyków gazu. Organizmy nitkowate (głównie bakterie i grzyby) wywołują tzw. puchnięcie włókniste. Zwykle dochodzi do niego, gdy skład ścieków jest niewłaściwy (zbyt duże ilości węglowodanów w stosunku do azotu i fosforu), w sytuacji przeciążenia osadu, nagłych zmian obciążenia , niedotlenienia, zakwaszenia, zatrucia, obniżenia temperatury lub niedostatecznie długiego przetrzymywania osadu w komorze napowietrzania. Do najczęściej spotykanych mikroorganizmów nitkowatych należą bakterie: Sphaerotilus, Beggiatoa i promieniowce. Mniej poznanym zjawiskiem jest puchnięcie niewłókniste. Wywołane jest ono nadmierną produkcją pozakomórkowych substancji śluzowych przez pewne bakterie zooglealne. Śluzy te wiążą bardzo dużo wody, co sprawia, że osad jest czterokrotnie silniej uwodniony niż w przypadku spuchnięcia włóknistego. Zwiększenie indeksu osadu może też spowodować rozproszenie kłaczków w wyniku zbyt silnej turbulencji w komorze lub też wynoszenie osadu w osadniku wtórnym. Z tym drugim przypadkiem mamy do czynienia, gdy osad jest zbyt długo przetrzymywany w osadniku i dochodzi do rozwoju beztlenowych bakterii denitryfikacyjnych wydzielających pęcherzyki azotu cząsteczkowego.

Bakterie tworzące kłaczki nie są jedynymi organizmami występującymi w osadzie czynnym. Oprócz bakterii występują tu liczne pierwotniaki i wrotki, rzadziej robaki, pierścienice i grzyby. Biocenoza osadu czynnego ma charakter heterotroficzny. Zależności pokarmowe w osadzie przedstawia schemat:

Piramida przedstawiająca zależności troficzne w osadzie czynnym.

Jak widać, bazą pokarmową całego zespołu organizmów jest materia organiczna dopływająca wraz ze ściekami. Pierwszy poziom troficzny tworzą bakterie heterotroficzne, grzyby i pierwotniaki saprotroficzne (ameby i wiciowce), które odżywiają się materią organiczną w postaci roztworów i zawiesin. Drugi poziom stanowią pierwotniaki holozoiczne (gr.holos - cały) odżywiające się całymi mikroorganizmami. Należą tu orzęski. Wreszcie, najwyższy poziom troficzny zajmują orzęski drapieżne (zwłaszcza osiadłe gatunki z grupy Suctoria, które zjadają pierwotniaki bakteriożerne) , a także bezkręgowce takie, jak wrotki, robaki z grupy nicieni i in.

Organizmy obecne we wpracowanym osadzie czynnym tworzą zespół, który powstał w wyniku procesu sukcesji. Początkowo w ściekach obecne są głównie bakterie, wiciowce (Zooflagellata) i ameby (Sarcodina), a więc organizmy odżywiające się materią organiczną zawartą w ściekach. Z czasem pojawiają się orzęski (Ciliata) zjadające bakterie i drapieżne. Z orzęsków najwcześniej rozwijają się formy wolno pływające, pożerające bakterie, które nie zlepiły się jeszcze w kłaczki (nie sflokulowane). W następnym etapie, gdy proces flokulacji jest już zaawansowany, pojawiają się formy osiadłe orzęsków (przyczepione do kłaczków). W ostatnim etapie rozwijają się wrotki (Rotatoria). Opisane przemiany ilustruje wykres:

Sukcesja mikroorganizmów podczas hodowli osadu czynnego

Znajomość przemian sukcesyjnych w osadzie oraz właściwości biologicznych mikroorganizmów jest przydatna w ocenie pracy oczyszczalni. Służy do tego analiza mikroskopowa próbki osadu, obejmująca, oprócz opisu wyglądu kłaczków, również badanie składu mikrofauny. Stwierdzenie dużej liczebności wiciowców i ameb (korzenionóżek), a więc pierwotniaków pionierskich, świadczy o przeciążeniu osadu i jego niedotlenieniu (a więc o warunkach przypominających początkowe etapy rozwoju osadu). Występowanie orzęsków natomiast, zwykle świadczy o dobrej pracy osadu. Dotyczy to zwłaszcza form osiadłych. Orzęski bakteriożerne wywierają stałą presję na populacje bakteryjne, które pobudzane są przez to do ciągłych podziałów. Wynikiem tego jest odmładzanie się flory bakteryjnej i jej zwiększona aktywność metaboliczna. Poza tym orzęski przyczyniają się do klarowania ścieków zjadając nie sflokulowane bakterie. Obecność w osadzie wrotków zwykle świadczy o dobrym natlenieniu osadu i jego stabilizacji.