Biologiczne oczyszczanie ścieków – identyfikacja procesów naturalnie występujących w przyrodzie , czyli rozkład i utlenianie związków organicznych do związków nieorganicznych przy udziale mikroorganizmów, które w wyniku tego procesu uzyskuja energię.

Substancje oporne na biochemiczny rozkład → nie są utleniane → wraz z oczyszczonymi ściekami trafiają do odbiornika

Zanieczyszczenia → sorpcja na kłaczkach osadu → mineralizacja (poprzez proces metaboliczny drobnoustrojów

Oczyszczanie w konwencjonalnym układzie – zachodzi w komorze napowietrzania, gdzie dopływają ścieki po wstępnym oczyszczeniu mechanicznym i doprowadzane jest powietrze.

Napowierzanie (umożliwia):

- Mieszanie zawartości reaktora

- Kontakt organizmów ze składnikami pokarmowymi

- Utrzymanie osadu w postaci zawieszonej

Po oczyszczaniu osadu → do osadnika wtórnego (sedymentacja i oddzielenie od sklarowanych ścieków

Metoda osadu czynnego:

- flokulacja – kłaczki osadu czynnego

- adsorpcja zanieczyszczeń na rozwiniętej powierzchni

- biodegradacja zanieczyszczeń przez organizmy

- oddzielenie ścieków oczyszczonych od organizmów - sedymentacja

Zagęszczony osad:

- Część jest recyrkulowana do komory napowietrzania

- Część jest odprowadzana jako osad nadmierny (ilość odprowadzonego osadu zależy od: szybości przyrostu biomasy i wpływa na; wiek osadu oraz stężenie zawiesin)

Osad nadmierny powinien być poddany stabilizacji metodami tlenowymi lub beztlenowymi.

Charaterystyczna cecha osadu czynnego → zdolność tworzenia kłaczków

Kłaczki:

- Podstawowa jednostka strukturalna osadu

- Rozwinięta powierzchnia

- Wymiary 50 – 300 μm

- Zbudowane z żywych komórek drobnoustrojów oraz subst. organicznych i nieorganicznych

- Tworzą się podczas napowietrzania ścieków

Czynniki które muszą współdziałać aby powstały kłaczków:

- Zasiedlanie przez mikroorganizmy drobnych cząstek zawiesin

- Wydzielanie substancji śluzowych i tworzenie zooglei

- Przyciąganie elektrostatyczne komórek i cząstek materii zawartej w ściekach

- Obecność fimbrii na powierzchni komórek

Czynniki sprzyjające tworzeniu kłaczków:

- substancje polimeryczne ( o charakterze polisacharydów i białek)

- właściwości otoczek i błon komórkowych (hydrofobowośc, ładunek powierzchniowy, skład chemiczny

- wzrost agregacyjny (istotne dwuwartościowe kationy wapnia i magnezu, które tworzą wiązania jonowe)

- obecność naturalnych polielektrolitów (ponieważ są naładowane ujemnie)

Zbyt duże, zbite kłaczki:

- utrudniają dyfuzje tlenu

- utrudniają przenikanie substancji organicznych

- utrudnione usuwanie produktów metabolizmu (niekorzystnie wpływa na efektywnośc biodegradacji zanieczyszczeń)

Grupa reducentów (bakterie i grzyby):

- głównie baterie tworzą biocenozę osadu

- głównie bakterie heterotroficzne (Zooglea, Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus, Micrococcus, Flavobacterium).Wykazują zdolność tworzenia kłaczków

Bakterie:

- 1 ogniwo łańcucha pokarmowego

- odpowiedzialne za biochemiczny rozkład substancji organicznych w ściekach oraz z obumarłych organizmów osadu

Bakterie heterotroficzne:

- grupa dominująca

- podstawowa grupa stanowiąca tworzenie kłaczków osadu czynnego

Bakterie nitryfikacyjne

- tlenowe autotroficzne

- niskie obciążenie osadu ładunkiem

Bakterie denitryfikacyjne

- heterotroficzne

- odpowiedzialne za proces denitryfikacji

Bakterie wolnopływające:

- urzęsione

- nie flokulują

Bakterie nitkowate:

- rozkład zanieczyszczeń ze ścieków

- tworzą szkielet, na którym budują się kłaczki

- wysoka aktywność bioceniczna

- pęcznienie osadu – problem z sedymentacją

- związane z kłaczkami

- nie flokulują

- najpopularniejsze Sphaerotilus natans

- wiele jest identyfikowana do grupy taksonomicznej -typów

Identyfikacja typów:

- oparta na niektórych cechach morfologicznych (kształt, rozmiar, trichom)

- reakcja na barwienie Garama i Neissera

Podział bakterii nitkowatych na 4 grupy:

Typ S - bakterie rosnące w warunkach tlenowych; dobrze rosną w obecności łatwoprzyswajalnych związków organicznych, średnim oraz długim wieku, niskim stężeniu tlenu

Typ C - bakterie tlenowe; rozwijają się w osadach pracujących w warunkach beztlenowo-tlenowych

Typ A - rosną w niskoobciążonym osadzie z wydzielonymi strefami: beztlenową, anoksyczną i toksyczną

Typ F - zdolne do syntezy substancji o właściwościach powierzchniowo-czynnych

Organizmy nitkowate w małej grupie stanowią rodzaj szkieletu, na którym budowane są kłaczki odporne na rozrywanie podczas intensywnego mieszania. Masowy rozwój tych bakterii w osadzie czynnym jest zjawiskiem NIEPOŻĄDANYM – wypływa niekorzystnie na strukturę kłaczków. Długie splątane nitki wystające poza obręb kłaczków, są przyczyną PĘCZNIENIA OSADU, które utrudnia sedymentację w osadnikach wtórnych.

Do pęcznienia osadu przyczyniają się:

- GRZYBY – formy jedno i wielokomórkowe; rzadko występują w osadzie czynnym; prowadzą rozkład zanieczyszczeń ze ścieków; zdolne do rozkładu ksenobiotyków; przyczyniają się do pęcznienia osadu → utrudniona sedymentacja

- PIERWOTNIAKI – główna grupa konsumentów; reprezentowane przez wiciowce, zarodniowe i orzęski.

Rola pierwotniaków w osadzie czynnym:

- stanowią 5% osadu czynnego

- stymulują tworzenie kłaczków poprzez wydzielanie śluzu, skupiska bakterii

- utrzymywanie odpowiedniej liczebności populacji bakterii i jej odmładzanie poprzez wyjadanie

- usuwanie nierozpuszczonej i rozpuszczonej materii organicznej

- wpływają na zjawisko FLOKULACJI osadu poprzez pozakomórkowe wydzielanie substancji o char. polisacharydów

- obniżają liczebność bakterii patogennych ze ścieków

- WROTKI – organizmy wielokomórkowe; niskie obciążenie zanieczyszczeń; odpowiedzialne za mieszanie osadu; rozbijają nadmiernie rozwinięte kłaczki; odmładzają biocenozę osadu; usuwają wolnopływające bakterie i materie organiczną; dobre napowietrzenie osadu i ustabilizowanie się procesu oczyszczania ścieków.

- ORGANIZMY ZWIERZĘCE – nicienie, skąposzczety, pajęczaki; destrukcja osadu na skutek intensywnego żerowania. SKĄPOSZCZETY – mają czerwone ciałka pigmentowe – przyczyna zabarwienia osadu na czerwono.

Zależności troficzne między grupami organizmów w osadzie czynnym:

PIERWSZE OGNIWO – bakterie heterotroficzne i niektóre pierwotniaki – odżywiają się subst. organicznymi, które występują w ściekach oraz cząstkami organicznymi z obumarłych organizmów osadu.

DRUGIE OGIWO – pierwotniaki holozoiczne odżywiające się organizmami ogniwa pierwszego i zawiesiną.

TRZECIE OGNIWO – nicienie i wrotki – pokarmem są organizmy z pierwszego i drugiego łańcucha; kończą część łańcucha pokarmowego, jaką stanowią heterotrofy osadu czynnego.

Bakterie autotroficzne, wykorzystując produkty mineralizacji subst. organicznych wytwarzane przez heterotrofy biorą udział w ostatnim etapie oczyszczania ścieków, są pokarmem dla organizmów drugiego i trzeciego ogniwa.

Nierozłożone substancje organiczne, produkty pośrednie metabolizmu oraz sole mineralne – składniki ścieków oczyszczonych.

Sukcesja organizmów w osadzie czynnym:

W pierwszej fazie sukcesji, w komorze napowietrzania – niewielka ilość biomasy organizmów; obfitość pokarmu; występują bakterie wolnopływające tworzące fazę rozproszoną osadu. W wyniki napowietrzania ścieków oraz obecności substratów pokarmowych namnażają się: bakterie, pierwotniaki – drobne wiciowce.

Faza sflokulowana osadu – występuje po 1-2 dniach wytworzenie kłaczków. Bakterie występujące w kłaczkach są niedostępne dla orzęsków wolnopływających, które są stopniowo zastępowane przez orzęski pełzające – żerujące bezpośrednio na kłaczkach oraz osiadłe – żywiące się bakteriami dopływającymi wraz ze ściekami.

Orzęski w osadzie czynnym można podzielić na:

- wolnopływające

- pełzające – żerujące na powierzchni kłaczków

- osiadłe – przytwierdzone do powierzchni kłaczków

Orzęski pełzające i osiadłe pobierają pokarm wydajniej niż pierwotniaki wolnopływające, dlatego mogą się rozwijać przy mniejszym zagęszczeniu bakterii.

ORZĘSKI WOLNOPŁYWAJĄCE BAKTERIOŻERNE – narażone na wypłukanie z układu wraz z oczyszczonymi ściekami; duże zagęszczenie bakterii; wysokie stężenie osadu; małe niedobory tlenu.

ORZĘSKI WOLNOPŁYWAJĄCE DRAPIEŻNE – drobne urzęsienie; małe zagęszczenie osadu

ORZĘSKI PEŁZAJĄCE BAKTERIOŻERNE– żerują na kłaczkach, potrzebują mniej energii do poruszania się; zjadają bakterie z osadu czynnego

ORZĘSKI OSIADŁE BAKTERIOŻERNE – przytwierdzone do kłaczków nie są narażone na wypłukanie, nie wymagają dużych nakładów energii; występują i współzawodniczą z wolnopływającymi o bakterie w zawiesinie; zwiększają wydajność filtrowania drobnych zawiesin; mniejsze zagęszczenie bakterii; mikroturbulencje; naturalne obciążniki osadu czynnego ułatwiają jego sedymentację; wysokie obciążenie osadu ładunkiem zanieczyszczeń , orzęski te występują przy niskiej redukcji BZT oraz znacznej zawartości azotu amonowego w odpływie.

Orzęski pełzające i osiadłe - warunki średniego i niskiego obciążenia osadu i zmniejszają swoją liczebność wraz ze wzrostem tego parametru. Spadek liczebności może też wskazywać na pogarszającą się sedymentację i pojawienie się bakterii w odpływie.

AMEBY SKORUPKOWE – długi wiek osadu; wydłużony czas zatrzymania ścieków w komorze; niskie obciążenie osadu; dobre natlenienie; łatwo sedymentujący osad, niskie stężenie azoty amonowego

DROBNE WICIOWCE – pierwsze stadia osadu czynnego; słaba flokulacja osadu; duże zagęszczenie bakterii; krótki wiek osadu; duże obciążenie osadu; niedobór tlenu

DUŻE WICIOWCE – niskie obciążenie tlenu; dobre natlenienie

Wydłużenie czasu napowietrzania ścieków i zmniejszenie obciążenia osadu może powodować wtórną dyspersję kłaczków i pojawienie się cieczy nadosadowej licznych bakterii wolnopływających. Co powoduje wzrost liczby orzęsków wolnopływających i wrotków, których pokarm stanowią fragmenty kłaczków. Cząstki materii organicznej, pochodzące ze zdezintegrowanych kłaczków, mogą służyć jako pokarm dla wiciowców i korzenionóżek, powodując ich wtórne namnażanie.

Skład gatunkowy mikrofauny może być wykorzystany do oceny do oceny pracy urządzeń do oczyszczania ścieków.

Prawidłowo pracujący osad czynny charakteryzuje się:

1/ wysoka liczebność mikrofauny w osadzie (10^6 mikroorg/litr)

2/ mikrofauna złożona przede wszystkim z pełzających i osiadłych orzęsków oraz nielicznych wrotków

3/ duża różnorodność orzęsków i brak wyraźnej dominacji którejkolwiek z grup pierwotniaków

4/ nielicznymi mikroorganizmami w cieczy nadosadowej.

Grupy pozytywnie i negatywnie świadczące o pracy osadu. POZYTYWNE: orzęski pełzające i osiadłe, ameby skorupkowe. NEGATYWNE: drobne wiciowce orzęski wolnopływające i osiadłe Vorticella microstoma i Opercularia spp.

Analizy mikroskopowe - pozwalają na: wykrycie zmian w biocenozie, ostrzeganie przed potencjalnym zagrożeniem, dostarczanie informacji o przyczynach złej pracy oczyszczalni, zależność biocenozy od obciążenia, wieku osadu i intensywności napowietrzania, możliwości występowania substancji toksycznych w ściekach

Klasa osadu czynnego w zależności od wartości indeksu biotycznego osadu(ibo):

1/ IBO(8-10) –osad stabilny o bardzo dobrej strukturze i prawidłowej biocenozie, bardzo wysoka aktywność biochemiczna, bardzo wysoka wydajność procesu oczyszczania ścieków

2/ IBO(6-7) -osad stabilny o dobrej strukturze i prawidłowej biocenozie, aktywność biochemiczna pogarszająca się, dobra wydajność procesu oczyszczania ścieków

3/ IBO(4-5) -osad o nieprawidłowej strukturze i biocenozie, niska aktywność biochemiczna, słaby stopień oczyszczania ścieków

4/ IBO(0-3) - osad o nieprawidłowej strukturze i biocenozie, bardzo niska aktywność biochemiczna, niedostateczny stopień oczyszczania ścieków.

Oznaczenie IBO (Madoni) wykonuje się bez konieczności identyfikacji organizmów do gatunku. Proporcje ilościowe dużych i łatwych do rozpoznania grup pierwotniaków pozwalają ocenić kondycję osadu. Indeks Madoniego odzwierciedla: różnorodność i liczebność mikrofauny osadu czynnego, wrażliwość poszczególnych grup pierwotniaków na czynniki fiz-chem, parametry pracy oczyszczalni. Wraz ze zmianami obciążenia osadu ładunkami zanieczyszczeń zmienia się różnorodność gatunkowa organizmów w osadzie, liczebność mikrofauny zmniejsza się wraz ze spadkiem obciążenia osadu.

Parametry pracy osadu czynnego:

- czas napowietrzania

- wiek osadu – retencja osadu czynnego

- stężenie zawiesin osadu czynnego w komorze

- indeks osadu