Osad czynny
Barbara Kołwzan
Osad czynny
• Proces tzw. osadu czynnego polega na oczyszczaniu ścieków przez
zawiesinę bakterii wolno unoszoną, stale zawieszoną w cieczy.
• Oczyszczanie ścieków osadem czynnym polega na mineralizacji
związków organicznych przeprowadzanej głównie przez bakterie,
na drodze tych samych procesów biochemicznych, które zachodzą
podczas samooczyszczania
• Metoda osadu czynnego wymaga dostarczenia tlenu, substratu
niezbędnego do bioutlenienia zanieczyszczeń organicznych.
• Ilość tlenu zapewniająca bakteriom odpowiednie warunki tlenowe
powinna wynosić > 0,5 mg O
2
/dm
3
.
We wszystkich metodach biologicznego
oczyszczania ścieków zachodzą
następujące procesy:
• rozkład substancji organicznych do CO
2
, H
2
O i NH
3
• nitryfikacja, czyli utlenienie NH
3
za pomocą bakterii Nitrosomonas
do azotynów,
a następnie za pomocą bakterii Nitrobacter do azotanów,
• denitryfikacja, czyli przemiana azotanów do postaci azotu
gazowego - N
2
Flokulacja
• Osad czynny to kłaczkowata zawiesina wytwarzająca się podczas
napowietrzania ścieków.
• Polega on na wytworzeniu w objętości ścieków kłaczków o wymiarach
50-100 m o bardzo silnie rozwiniętej powierzchni.
• Kłaczki pozostawione w bezruchu łatwo sedymentują i umożliwiają w
ten sposób oddzielenie biomasy osadu czynnego od ścieków
oczyszczonych
• Kłaczki składają się z heterotroficznych bakterii zlepionych śluzem
(flokulacja), które utrzymywane są w ciągłym ruchu dzięki mieszaniu
przez doprowadzane powietrze.
• Kłaczki te adsorbują zawarte w ściekach zanieczyszczenia, a
mikroorganizmy znajdujące się w kłaczkach rozkładają zaadsorbowane
substancje.
Morfologia kłaczków
Flokulacja - kłaczkowanie
• Kłaczkowanie jest procesem złożonym
powodowanym działalnością drobnoustrojów, ich
właściwościami fizjologicznymi oraz czynnikami
środowiskowymi
• Dla procesu kłaczkowania istotne znaczenie mają
takie właściwości bakterii jak:
– Adhezja - tendencja do adsorpcji bakterii na granicy faz (
ciało stałe-ciecz, ciecz – gaz)
– Tworzenie agregatów – właściwa flokulacja
Mechanizm adhezji:
• Wytwarzanie enzymów hydrolitycznych – enzymy
pozakomórkowe koncentrują się na powierzchni
błony komórkowej, dochodzi do silnego
związania bakterii z substratem
• Wyrostki cytoplazmatyczne – fimbrie – budowa
rurkowata, maja swoista adhezję do grzybni,
komórek roślinnych, cząstek mineralnych,
koloidów, innych bakterii.
Tworzenie agregatów
• Podstawowa role spełniają otoczki i śluzy
powierzchniowe u bakterii – elektroujemne
• Są lepkie i hydrofilne
• Dzięki ładunkowi elektrycznemu na powierzchni
komórek bakterie reagują ze sobą oraz z
koloidami, kationami i anionami
• Gatunkiem który wydziela śluz wyjątkowo obficie
jest Zooglea ramigera ( 50% suchej masy komórki
stanowi kwas poli-β-hydroksymasłowy)
Zooglea ramigera
Rola zwierząt we flokulacji
• Orzęski i wrotki wydzielają przez otwór gębowy
śluz zlepiający bakterie i drobne zawieszone
cząstki organiczne dając początek mikrokłaczkom.
Orzęsek osiadły z
rodzaju
Opercularia
pobierający pokarm
.
deflokulacja
• W ekosystemach zawierających bakterie występuje
określona kolejność zjawisk:
– Adhezja
– Flokulacja
– Wyczerpywanie składników pokarmowych
– Rozpad agregatów
• W osadzie czynnym steruje się procesem i nie
dopuszcza do deflokulacji.
• Przyczyny deflokulacji:
– Zbyt wysokie obciążenie – mało bakterii, krótki czas
napowietrzania uniemożliwiający utlenienie substratów
– Zbyt niskie obciążenie – niedostatek pokarmu, autoliza
komórek, zmniejszenie biomasy osadu.
Biocenoza osadu czynnego
• Skład gatunkowy mikroflory w osadzie czynnym jest
bardzo różny, ulega stałym zmianom a zależy głównie
od rodzaju ścieków.
• Składa się głównie bakterii heterotroficznych, a tylko
w niewielkim procencie- i tylko w pewnych układach
i warunkach – występują bakterie chemolitotroficzne,
zwłaszcza bakterie nitryfikacyjne.
• Ponadto w skład biocenozy osadu wchodzą: grzyby,
pierwotniaki i zwierzęta bezkręgowe.
Biocenoza osadu czynnego -
bakterie
• Dobór bakterii odbywa się na drodze naturalnej.
Czynnikiem selekcjonującym i kształtującym
zróżnicowany jakościowo zespół bakterii, są warunki
w komorze napowietrzania, zwłaszcza skład
chemiczny ścieków, odczyn i warunki tlenowe.
• Najczęściej spotykanymi gatunkami
heterotroficznych bakterii są: Zooglea ramigera,
Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas putida oraz
bakterie z rodzaju Achromobacter, Bacillus,
Flavobacterium i Alcaligenes.
– Ścieki bytowo-gospodarcze - Achromobacter,Pseudomonas,
Proteus, Flavobacterium i Alcaligenes
– Ścieki zawierające duże ilości białka – Alcaligenes,
Flavobacterium, Bacillus
– Ścieki bogate w węglowodany - Pseudomanas
Biocenoza
• Bakterie chemolitotroficzne:
– Nitryfikacyjne: Nitrosomonas, Nitrobacter
– Siarkowe: Thiotrix, Beggiatoa
• Grzyby – heterotrofy, pH = 3,2 – 9,6, głównie
mezofile (zakres 1-33
o
C), w osadzie czynnym
pojawiają się w warunkach niskiego pH,
niedotlenienia, nadmiaru węglowodanów
pierwotniaki
• Uczestniczą we flokulacji
• Są wskaźnikiem dobrej pracy osadu
• Niektóre aktywnie usuwają zanieczyszczenia
• Pierwotniaki odżywiają się komórkami
bakteryjnymi, zmuszają je do szybkiego
rozmnażania, przez co staja się czynnikiem
odmładzającym i uaktywniającym osad czynny.
• Klarują odpływ ścieków przez pożeranie
wolnopływających bakterii
• W osadzie występują:
– Wiciowce,
– Orzęski
– Korzenionóżki
Pierwotniaki - Wiciowce
• Poruszają się za pomocą długich nici.
• Odżywiają heterotroficznie, rozpuszczonymi
związkami organicznymi, bakteriami i
jednokomórkowymi glonami.
• Żyją w wodach zanieczyszczonych i w osadzie
czynnym, może ich być do 30 tys./ml.
• Są wskaźnikiem złej pracy osadu, nadmiernego
obciążenia, braku tlenu lub dopływu ścieków
zagniwających.
• Duże wiciowce (Euglena) występują w osadzie rzadko,
świadczą o niskim i średnim obciążeniu oraz dobrym
natlenieniu osadu
wiciowce
Euglena viridis, - euglenina,
Korzenionóżki
• Poruszają się za pomocą wyrostków plazmatycznych
tzw. nibynóżek. Zmienny kształt ciała, niektóre
posiadają szkielecik lub skorupkę zewnętrzną.
• W osadzie dobrze funkcjonującym do 50 tys./ml.
• Duża ilość ameb wskazuje na niestabilna prace osadu
• Duże ameby oskorupione są wskaźnikiem niskiego
obciążenia, dobrego natlenienia i prawidłowego
przebiegu nitryfikacji.
korzenionóżki
Korzenóżki
oskorupione
Orzęski
• Odżywiają się związkami organicznymi,
bakteriami i glonami.
• Żyją w wodach zanieczyszczonych i w
osadzie czynnym.
• Jest ich około 89 gatunków. Wyróżniamy:
– wolnopływające (duże koncentracje bakterii),
– pełzające
– osiadłe
Liczebność – 10 tys./ml
ORZĘSKI
BZT
CHZT
UTLENIALNOŚĆ
AZOT
ZAWIESINA
MĘTNOŚĆ
LICZBA BAKTERII
pierwotniaki
• Do najczęściej występujących pierwotniaków
należą: Vorticella, Carchesium i Opercularia oraz
Anthophysa, Oxytricha, Stylonychia i Lionotus.
• Między liczebnością wiciowców i orzęsków w
osadzie czynnym istnieje odwrotna zależność.
Podczas gdy duża liczba wiciowców wskazuje
na przeciążenie osadu, to obecność, orzęsków
świadczy o prawidłowej pracy osadu czynnego.
Paramecium putrinum.
Wielkość 60-120 µm. Swobodnie pływający, niezbyt często
występujący w osadzie czynnym orzęsek bakteriożerny
.
Litonotus lamella
Wielkość 50-100 µm. Zjada wiciowce i inne orzęski. W osadzie
czynnym występuje dość często, ale nielicznie.
Acineria incurvata.
Wielkość 50-150 µm. W osadzie występuje dość rzadko. Pływa
szybko, polując na inne orzęski.
Acineria uncinata.
Wielkość 30-60 µm. Orzęsek dość często spotykany w osadzie
czynnym, gdzie zjada głownie bakterie i drobne wiciowce.
Coleps hirtus.
Wielkość 40-65 µm. Posiada charakterystyczny pancerzyk
zbudowany z krzemionki. Wszystkożerny. W osadzie czynnym
dość rzadki.
Euplotes aediculatus. Komórka spłaszczona grzbietobrzusznie o
owalnym kształcie i długości od 105 do 165 µm. Pod
mikroskopem dobrze widoczny aparat gębowy i cirri, które
służą do poruszania się. W osadzie niezbyt częsty. Odżywia się
bakteriami i wiciowcami.
cirri
Aspidisca cicada (syn. A. costata)
Niewielki, (24-40 µm długości) orzęsek o owalnym kształcie i wyraźnie
grzbietobrzusznie spłaszczony. Podobnie jak Euplotes pełza szybko po
kłaczkach i cząstkach odżywiając się bakteriami, wiciowcami i
cząstkami organicznymi. Występuje często, a jej obecność wskazuje na
dobre natlenienie i niskie obciążenie osadu.
Thuricola kellicotiana
Charakterystyczny orzęsek, występujący najczęściej po 2
osobniki w kieliszkowatych lorikach (200-290 µm). Zwykle dość
rzadki, ale w niektórych oczyszczalniach otrzymujących
specyficzne ścieki dość częsty.
Orzęski osiadłe –Epistylis
umbellaria bytujące w osadzie
czynnym.
stylik
Vorticella convalaria potrafi skurczyć sie na styliku a nawet
oderwać się od stylika i swobodnie dryfować w poszukiwaniu
bakterii
.
Obecność tychże pierwotniaków wskazuje na osad
ustabilizowany i dobrze napowietrzony.
Aniceta tuberosa. Częsty w osadzie czynnym sysydlaczek o
wielkości od 25 do 200 µm. Rurki ssące zebrane w 2 skupienia
na przodzie komórki.
rurki ssące
Opercularia articulata
Pojedyncze zooidy mają wielkość (90-120 µm). „Dysk perystomalny”
charakterystycznie wysunięty i wciągany jak wieczko. Występuje w koloniach,
których grube styliki rozgałęziają się dychotomicznie i nie są kurczliwe. Gatunek
odporny na toksyczne ścieki.
Carchesium polypinum.
Wielkość pojedynczego zooidu 80-140 µm, kolonii nawet do 2 mm.
Drzewkowata kolonia przytwierdza się kurczliwym stylikiem do
kłaczków osadu. Występuje często w dobrze pracującym osadzie
czynnym.
Kolonie Epistylis plicatilis widoczne są gołym okiem
(4mm),
Epistylis plicatilis.
Wielkość pojedynczego zooidu 90-160 µm. Styliki bez włókienka
kurczliwego, rozdzielające się dychotomicznie. Kolonie duże,
niekurczliwe. Częsty w dobrze pracującym osadzie czynnym.
Zwierzęta bezkręgowe
Wrotki:
• 2-3 tys./ml
• 52 gatunki
• Wskaźniki osadu ustabilizowanego, dobrze
natlenionego
• Odżywiają się bakteriami i cząstkami osadu
• Wydzielają śluz ułatwiający flokulacje i klarowanie
osadu
• Pojawiają się najliczniej przy spadku BZT
5
poniżej
93%.
Wrotek Rotifer vulgaris żerujący w
osadzie czynnym.
Zwierzęta bezkręgowe
Nicienie
• Występują w małych ilościach, 130/ml
• Turbulencja osadu przeszkadza w biseksualnym
rozmnażaniu
• Więcej w osadzie recyrkulowanym
• Licznie w osadach 5 dniowych
• Rola:
– Pożeranie kłaczków i bakterii
– Penetracja w głąb kłaczków dotlenia i zwiększa
powierzchnie biosorpcji
– Rozdrobnienie osadu
– Cząstki pokarmu przetrawione, oblane mukoproteidem są
zasiedlane przez bakterie
Nicienie – z rodzaju Plectus sp.
bytujące w osadzie czynnym.
Sukcesja w osadzie czynnym
sukcesja
Osad czynny – puchnięcie osadu
W warunkach niekorzystnych (przeciążenie komory
napowietrzania ładunkiem łatwo dostępnych
substratów, wysoki deficyt tlenowy) dochodzi do
przerostu utworów kłaczkowatych osadu i do tzw.
pęcznienia osadu czynnego.
Puchnięcie osadu j.t. wzrost objętości osadu przy
zachowaniu tej samej masy.
Wyróżniamy pęcznienie włókniste i niewłókniste:
Pęcznienie włókniste spowodowane jest nadmiernym
rozwojem bakterii nitkowatych (Sphaerotilus natans,
Beggiatoa alba lub Thiothrix nivea) lub grzybów.
Natomiast przyczyną pęcznienia niewłóknistego jest
rozwój bakterii wydzielających nadmierne ilości
śluzów zewnątrzkomórkowych.
Inne przyczyny puchnięcia
osadu
• Rozproszenie kłaczków wywołane silną
turbulencją
• Wzrost lekkości osadu przez osadzanie się
na klaczkach pęcherzyków gazu:
– Azotu cząsteczkowego, denitryfikacja
– Siarkowodoru, ditlenku węgla – podczas
zagniwania osadu
Efekty puchnięcia:
– Wynoszenie osadu
– Ułatwienie dyfuzji substratów i tlenu do
kłaczków Wzrost efektywności biodegradacji
– Odpływ ścieków z częścią spuchniętego osadu,
ubytek osadu
Puchnięcie włókniste
Warunki fizyczno-chemiczne mające
wpływ na oczyszczanie osadem
czynnym
Temperatura
• Wpływa na tempo respiracji
• Wzrost temperatury przyspiesza tempo: usuwania
węgla, azotu org., nitryfikację ( 15-25oC)
• Niskie temperatury obniżają szybkość reakcji
biochemicznych
• Temp. > 25oC powodują degenerację kłaczków,
rozproszenie rozwój form nitkowatych, wynoszenie
osadu.
• Niskie temp. - lepsza dyfuzja tlenu ale mała
aktywność bakterii
Warunki fizyczno-chemiczne mające
wpływ na oczyszczanie osadem
czynnym
Natlenienie
• Zawartość tlenu we wszystkich częściach komory
powinna być > 0,5 a najlepiej w granicach 1-3 mg
O
2
/litr
• Zbyt duże natlenienie to hamowanie dyfuzji z
powietrza, rozluźnienie kłaczków, dyspersja osadu
Warunki fizyczno-chemiczne mające
wpływ na oczyszczanie osadem
czynnym
Odczyn
• Granice optymalne dla enzymów łańcucha
oddechowego bakterii to pH = 7 – 7,5
• Zakres pH = 6-9 uznaje się za dopuszczalny
• pH <4 i >11 jest zabójcze –denaturacja białek
enzymatycznych
• Ścieki przemysłowe o zmiennym odczynie wymagają
neutralizacji
• pH < 6 może powodować rozwój grzybów w osadzie
Warunki fizyczno-chemiczne mające
wpływ na oczyszczanie osadem
czynnym
Składniki odżywcze
• Poza węglem najważniejsze to azot i fosfor
– N : BZT5 = 1 :17
– P : BZT5 = 1 : 90
• W ściekach miejskich i z przemysłu spożywczego
warunki te są spełnione
• W innych przypadkach podaje się pożywki mineralne;
wodę amoniakalną i kwas fosforowy w celu
uzyskania odpowiedniej biomasy osadu czynnego
Warunki fizyczno-chemiczne mające
wpływ na oczyszczanie osadem
czynnym
Związki toksyczne
• Występują głównie w ściekach przemysłowych.
• Toksyczne działanie powoduje:
– Zwolnienie przyrostu biomasy
– Dezaktywacje enzymów
– Zmniejszony pobór tlenu
– Rozproszenie kłaczków i w konsekwencji całkowity zanik
zdolności oczyszczania
• Przystosowanie osadu polega na:
– Adaptacji – ostrożne podawanie zwiększających się dawek
związków toksycznych – enzymy indukcyjne
– Biokumulacji – metoda detoksykacji ścieków
zawierających metale ciężkie
Schemat procesu oczyszczania
ścieków osadem czynnym
• Ścieki po mechanicznym oczyszczeniu kierowane są do komór
napowietrzania (komora osadu czynnego) z osadem czynnym.
• Zawartość komory jest stale napowietrzana, co umożliwia
dostarczenie wystarczającej ilości tlenu, utrzymuje osad
czynny w stanie zawieszonym i zapewnia stałe mieszanie.
• Komora napowietrzania jest urządzeniem, w którym rozwój
osadu czynnego następuje w warunkach hodowli ciągłej.
Pomiędzy szybkością dopływu ścieków i zawartych w nich
substancji odżywczych, szybkością namnażania się bakterii, a
szybkością odpływu oczyszczonych ścieków wraz z pewna
ilością osadu czynnego, panuje stan równowagi.
• W czasie kontaktu ścieków z osadem czynnym, zachodzące
procesy rozkładu umożliwiają jednocześnie rozwój biomasy
osadu czynnego.
Schemat oczyszczania ścieków
metodą osadu czynnego
Schemat oczyszczania ścieków
metodą osadu czynnego
Schemat procesu oczyszczania
ścieków osadem czynnym
• Rozdziału oczyszczonych ścieków od osadu dokonuje się w
osadniku wtórnym. W urządzeniu tym następuje
sedymentacja osadu i klarowanie się oczyszczonych ścieków,
które odprowadza się do odbiornika.
• Osad czynny może być natomiast ponownie użyty do
oczyszczania ścieków i jest wówczas recyrkulowany. Często
jednak przed ponownym włączeniem go do procesu
oczyszczania trafia do komór regeneracyjnych, w których
napowietrzany jest w celu przywrócenia mu pełnej
sprawności fizjologicznej.
• Jeżeli osad z osadnika wtórnego nie jest zawracany do
komory osadu czynnego, to wówczas jest on jako osad
nadmierny usuwany i poddawany odpowiedniej przeróbce.