Skład kłaczków osadu czynnego i ich zadanie
W kłaczkach możemy znaleźć następujące składniki:
Żywe drobnoustroje, głównie bakterie
Martwe komórki
Nierozłożone wielkie organiczne cząstki, gromadzone w kłaczkach
Części nieorganiczne, np. piasek ze ścieków, ich ilość może wynosić od 10 do 50% masy ogólnej kłaczków
Skład kłaczków osadu czynnego w danej oczyszczalni zależy od bardzo wielu czynników, przy czym skład ścieków ma znaczenie decydujące. Obecność piaskownika lub osadnika wstępnego wpływa na zawartość dużych cząstek nieorganicznych w kłaczkach osadu. Również obciążenie oczyszczalni ma wpływ na skład kłaczków osadu. Podczas napowietrzania ścieków zawarte nich drobnoustroje tworzą spontanicznie kłaczki osadu. W tworzeniu się kłaczków odgrywa rolę pewna liczba dodatkowych czynników:
Liczne bakterie wytwarzają śluzowe otoczki. Z pomocą tego śluzu komórki łączą się między sobą tworząc kłaczkowatą zawiesinę
Bakterie są naładowane ujemnie. Jony naładowane dodatnio powodują połączenie ujemnie naładowanych komórek
Niektóre bakterie tworzą na powierzchni siatkę bardzo cienkich nitek, zbudowanych z celulozy lub innych wielocukrów. Komórki mogą być łączone za pomocą tej siatki, względnie może ona służyć do chwytania innych komórek bakteryjnych.
System osadu czynnego działa w warunkach tlenowych. Oznacza to, że występujące w osadzie czynnym drobnoustroje potrzebują tlen do swej przemiany materii. Mieszanina osad – ścieki jest napowietrzana celem dostarczania wymagającej ilości tlenu. Bakterie znajdujące się na zewnętrznej powierzchni kłaczków osadu mogą pobierać go bezpośrednio z fazy wodnej. Bakterie we wnętrzu kłaczków otrzymują tylko ten tlen który wnika z fazy wodnej do kłaczków drogą dyfuzji.
Gdy tworzą się nieco większe agregacje kłaczków tlen dostarczany tą drogą nie wystarcza do zapewnienia warunków aerobowych we wnętrzu komórki. Skutkiem tego są gnilne procesy beztlenowe.
Postać, struktura i trwałość kłaczków
Postacie ( kształty) kłaczków mogą się znacznie różnić – od formy prawie kulistej, zbitej do całkowicie luźnej, nieregularnie uformowanej struktury. Najtrudniejszą sprawą w mikroskopowym badaniu osadu jest prawidłowy opis kłaczków danego osadu. Kłaczki charakteryzuje się na podstawie następujących danych:
Kształt : nieco zaokrąglony /nieregularny.
Kłaczki o całkowicie kulistym kształcie nie występują w osadzie czynnym. Stąd też wszystkie kłaczki o mniej lub bardziej kulistym kształcie określa się jako „zaokrąglone”. A gdy ich postać znacznie odbiega od kształtu kuli określa się jako „nieregularne”. Obecność bakterii nitkowatych prowadzi często do powstawania nieregularnie ukształtowanych kłaczków. Nitki tworzą wtedy rodzaj rusztowania, wokół którego tworzy się kłaczek
Spójność : słaba/duża
Różnica pomiędzy tymi dwiema cechami jest trudna do opisania. W słabym kłaczku spójność pomiędzy komórkami bakterii jest raczej nie duża i nie istnieje stabilne jądro kłaczka. Struktura takich kłaczków może łatwo ulec zniszczeniu. Mocne stabilne kłaczki tworzą się najczęściej przy średnich obciążeniach.
Struktura: zwarta/luźna
W obrębie zbitego kłaczka można znaleźć tylko nieliczne puste przestrzenie. W przeciwieństwie do tego w luźnych kłaczkach ich cząstki są wyraźnie oddzielone od siebie perforacjami. Luźna struktura jest często spowodowana obecnością organizmów nitkowatych. Kształt kłaczków wpływa na szybkość ich opadania w osadniku wtórnym. Z punktu widzenia właściwości sedymentacyjnych należałoby preferować kłaczki zaokrąglone i możliwie zwarte – typu kompakt.
Ocena ilościowa bakterii nitkowatych, opis organizmów nitkowatych
W niektórych osadach czynnych prawie całkowicie bark bakterii nitkowatych w innych osadach mogą one występować tak licznie, że całkowicie dominuje w obrazie mikroskopowym. W analizie obrazu mikroskopowego pożądana jest ocena ilościowa bakterii nitkowatych danego osadu, prowadzone określoną metodą.
Istnieje teoretycznie możliwość dokładnego ustalenia liczby nitek w danym osadzie poprzez liczenie i pomiary. Jest to jednak nie tylko bardzo czasochłonne, lecz może być przeprowadzone tylko wtedy gdy są to mniej lub bardziej proste nitki. Znacznie prostszą i szybszą metodą jest wzrokowa ocena szacunkowa liczby organizmów nitkowatych znajdujących się w danym osadzie. Liczba nitek zostaje w ten sposób wizualnie określana ilościowa. W oparciu o ocenę wzrokową można rozróżnić 5 kategorii:
Kategoria 0 : nie ma prawie żadnych organizmów nitkowatych
Kategoria 1: organizmy nitkowate obecne w niedużej ilości
Kategoria 2: obecność średniej liczby mikroorganizmów nitkowatych
Kategoria 3: obecna duża liczba mikroorganizmów nitkowatych
Kategoria 4: obecna ogromna liczba mikroorganizmów nitkowatych.
Celem ustalenia kategorii danego osadu porównuje się obraz mikroskopowy z szeregiem obrazków wzorcowych. Osad zalicza się do tej kategorii, która najbardziej odpowiada obrazowi mikroskopowego. W ten sposób mniej lub bardziej dokładnie zostaje ustalone ilościowo tworzenie się nitek. Metoda ta ma sens tylko wtedy, gdy wzrost liczby danej kategorii łączy się rzeczywiście z pogorszeniem właściwości sedymentacyjnych osadu.
Pierwotniaki, wrotki i nicienie w osadzie czynnym ( opis krótki każdego)
W większości osadów czynnych stwierdza się obok bakterii tworzących kłaczki, różne wyższe mikroorganizmy. Organizmy te żywią się przeważnie bakteriami wolno pływającymi w fazie płynnej, wzgl. Bakteriami na brzegach kłaczków. W ten sposób usuwają one luźno pływające bakterie i przyczyniają się przez to do poprawy jakości odpływu. Obecność tych organizmów uważana jest na ogół za pozytywny element procesu oczyszczania.
Pierwotniaki, wrotki i nicienie są zazwyczaj znacznie większe niż bakterie. Poza tym wygląd ich jest przeważnie tak charakterystyczny, że rzucają się wyraźnie w oczy w preparacie mikroskopowym. W osadzie czynnym zaobserwowana ich już setki rodzajów. Prawidłowa identyfikacja tych organizmów jest jednak trudnym zadaniem, wymaga ugruntowanej wiedzy w tym zakresie.
Pierwotniaki
Spośród wielu grup pierwotniaków, w osadach ściekowych spotyka się głównie orzęski, wiciowce, korzenionóżki i słonecznice.
Orzęski
Charakteryzują się tym, że powierzchnia ich ciała pokryta jest częściowo lub całkowicie delikatnymi rzęskami. W okolicy otworu gębowego rzęski są ułożone w specjalny sposób co umożliwia wywoływanie ruchu wody i „naganianie” pożywienia swoim kierunku. Wśród orzęsków daje się wyróżnić formy osiadłe, pełzające po kłaczkach i wolno pływające.
Orzęski osiadłe
Vorticella sp. – ciało w kształcie kielicha i jest osadzone przeważnie na styliku. Specjalne zagłębienie otoczone jest przez wianuszek rzęsek. Stylik obejmuje kurczliwy mionem, co umożliwia jego kurczenie się. Vorticella jest organizmem pojedynczym, a jej styliki nie mają rozgałęzień.
Carchesium sp – komórki również mają kształt kielicha. Ich duży perystom otoczony jest pierścieniem rzęsek. Pozostała powierzchnia ciała nie posiada rzęsek. Stylik zawiera mionem. Co umożliwia organizmowi kurczenie się. Styliki są rozgałęzione. Jednak przy każdym rozgałęzieniu mionem jest przerwany.
Opercularia sp. – styliki u tych pierwotniaków są rozgałęzione, dzięki czemu tworzą się kolonie. Stylik nie zawiera mionemu i dlatego nie jest kurczliwy.
Epistylis sp. – orzęski te przybierają kształt trąbki lub wazonu. Rozgałęziony stylik nie zawiera mionemu, czasem jest segmentowy.
Orzęski pełzające
Aspidisca sp. – ciało sztywne, jajowate, grzebit wypukły. Na grzbiecie znajdują się bruzdy od 3 do 6. Rześki występują pod postacią Sirri i tzw. membranelii. Periston nie jest wyraźnie rozbudowany.
Aspidisca pełza zazwyczaj z dużą szybkością po powierzchni kłaczków. W osadzie występują 4 różne gatunki należące do tego rodzaju. Z nich najczęściej znajdowana jest A. costata.
Trachelophyllum pusillum – płaskie, ruchliwe, długie ciało, całkowicie pokryte rzęskami. Okrągły perystom dość dobrze widoczny, otoczony jest przez liczne, względnie duże rzęski, stojące pionowo. Komórki tego orzęska zawiera dwa duże jądra i na końcu kurczliwą wodniczkę. Rodzaj ten występuje w osadzie czynnym.
Orzęski wolno pływające
Blepharisma sp. – podłużny, słabo ruchliwy orzęsek, poruszający się powoli w fazie płynnej. Ciało całkowicie pokryte jest rzęskami, które w pobliżu perystomu występują w postaci membranelli. Pierwotniaki te mają często zabarwienie blado różowe.
Chilodonella cucullulus – płaskie, nieco jajowate ciało o wypukłej powierzchni grzbietowej i płaskiej brzusznej. Rzęski po stronie brzusznej są słabo widoczne, po stronie grzbietowej nie ma ich wcale. Perystom otoczony jest fałdem, na kształt krótkiej rury.
Colpidium colpoda – orzęski te przybierają kształt nerki lub fasoli. Otoczenie perystomu i sam perystom są wyraźnie zagłębione w płaską powierzchnię brzuszną. Ciało [pokryte jest rzęskami i porusza się zazwyczaj szybko w fazie płynnej.
Euplotes sp. – ciało tego orzęska przybiera kształt jajowaty. Na powierzchni grzbietowej ma 6 bruzd. Strona brzuszna jest spłaszczona. Powierzchnia komórki wykazuje nieliczne Sirri, nie ma natomiast pojedynczych rzęsek. W pobliżu perystomu występują wyraźnie rozwinięte membranelle.
Lionotus sp. – komórki tego organizmu przybierają kształt butelek. Szyjka ma tą samą długość, co pozostała część komórki. Ilość rzęsek znajdująca się na powierzchni grzbietowej jest ograniczona.
Paramaecium caudatum – pantofelek – komórki tego pospolitego orzęska mają kształt podeszwy, stąd też wzięła się jefgo nazwa. Rzęski pokrywają całe ciało. Jądro komórkowe jest duże i dobrze widoczne. Charakterystyczna jest kurczliwa wodniczka tętniąca w kształcie gwiazdki.
Spirostomum sp. – bardzo długi, szybko się poruszający orzęsek. Ciało całkowicie pokryte rzęskami. Na tylnym końcu można zobaczyć dużą charakterystyczną wodniczkę. Jest największym orzęskiem, który znajdowany jest często w osadach.
Wiciowce
Wici są dłuższe i mocniejsze niż rzęski i dlatego nie można ich ze sobą pomylić. Wici służą do poruszania się, gdy pierwotniaki te przemieszczają się w fazie płynnej. Niektóre rodzaje mają tarczę gębową, przez który pobierają pożywnie, inne rodzaje zależne są całkowicie od poboru pożywienia przez ścianę komórki na drodze fagocytozy.
Bodo sp. – kształt komórek jest mniej lub bardziej jajowaty. Występują dwie wici jedna skierowana ku górze, druga ku tyłowi. Wici nie są umieszczone na powierzchni lecz wychodzą z wnętrza komórki.
Hexamitus sp. – sieć wici skierowanych ku przodowi i dwie ciągnione z tyłu. Płaskie ciało jest mniej lub bardziej okrągłe. W czasie pływania wici są niewidoczne.
Monosiga sp. – jajowata komórka, ma na górze cienki kołnierzyk, z którego wystaje wić. Monosiga przyczepia się zazwyczaj do kłaczków osadu.
Pleuromonas sp. – mały, okrągły wiciowiec. W pobliżu miejsca implantacji obu wici ściana komórki jest wciągnięta. Najdłuższa wić przyczepia się często do kłaczka osadu.
Poteriodendron sp. – jajowate komórki obudowane są uterałem o kształcie wazonu. Pod tym futerałem znajduje się stylik, za pomocą którego cały organizm przyczepia ię do innej komórki. W ten sposób tworzą się kolonie tego wiciowca. Komórki posiadają jedną wić, przy pomocy której poruszają się w obrębie futerału.
Korzenionóżki
Charakterystyczna dla tej grupy organizmów jest zdolność do poruszania się przy pomocy nibynóżek.
Ameby nagie – są to jednokomórkowe organizmy pokryte cienką pellikulą, stąd duża zmienność ich kształtów.
Ameby skorupkowe – u tych pełzaków komórka otoczona jest skorupką, posiadającą jeden otwór, przez który wysuwane są nibynóżki. Kształt skorupki zależy od rodzaju danego organizmu.
Słonecznice
Do tej grupy należą przedstawiciele promienionóżek o kulistym lub elipsoidalnym ciele komórki otoczonym przez igłowate, proste nibynóżki, które mogą być wysuwane a zewnątrz lub wciągane do wewnątrz ciała. Nie służą do poruszania się lecz do chwytania zdobyczy. Dotknięcie przez te nibynóżki powoduje porażenie organizmów, które następnie zostają zjedzone.
Nicienie
Zaliczane do robaków obłych nicienie odznaczają się wydłużonym wrzecionowatym ciałem. Nicienie są znacznie większe niż pierwotniaki i można je zobaczyć już w małym powiększeniu.
Wrotki
Są to bardzo ruchliwe, wielokomórkowe organizmy o podłużnym kształcie. Ich ciało otoczone jest przez rodzaj pancerza, od którego mogą wciągać odcinek głowowy i ogonowy. Na głowie wieniec dużych rzęsek, ułożonych koliście. Ogon jest przeważnie charakterystycznie rozgałęziony i odgrywa ważną rolę w poruszaniu się Wrotków. Ruch Wrotków przypomina sposób poruszania się ślimaków.
Pęcznienie osadu
O osadzie spęczniałym mówimy tylko wtedy jak osad źle sedymentuje, gdy występują duże ilości mikroorganizmów nitkowatych i/lub bakterii zoogloea.
Osad spęczniały – jest to osad o niedostatecznych ( złych) właściwościach sedymentacyjnych i zdolności do zagęszczania, wywołanych przez nadmierny rozwój organizmów nitkowatych lub zoogloea.
Do powstawania osadu spęczniałego przyczyniają się dwa różne czynniki. Z tego powodu w literaturze rozróżniany jest osad spęczniały z powodu bakterii nitkowatych i osad spęczniały z powodu bakterii zoologloea. Nie jest to rozróżnienie całkowicie prawidłowe, ponieważ obecność bakterii nitkowatych nie musi oznaczać braku obecności bakterii zoogloea.
Nitryfikacja
Proces utleniania amoniaku do azotanów (III) prowadzony przez bakterie nitryfikacyjne. Proces ten zachodzi w warunkach tlenowych gdzie w pierwszym etapie I grupa bakterii nitryfikacyjnych- NItrosomonas utlenia jon amonowy do azotanów (III), a następnie druga grupa bakterii – Nitrobacter utlenia powstały azotan (III) do azotanów (V).
Procesy odbywa się według reakcji :
Etap I : 2NH4+ + 3O2 → 2NO2- + 2H2O
Etap II : 2NO2- + O2 →2NO3-
Warunki nitryfikacji:
pH = 7,5 – 8,5
stężenie tlenu rozpuszczonego >2 gO2 / m3
optymalna temperatura około 20oC, poniżej 5oC nitryfikacja ie zachodzi
duży wiek osadu, minimum 8 dni
obecność mikroelementów: Ca, Fe, Mg, P, Cu
brak innych toksycznych związków ( fenoli, antybiotyków)
gazowy NH3 poniżej 1mg/dm3 jest toksyczny dla nitryfikacji.
Zarówno denitryfikacja i nitryfikacja są częściami cyklu azotowego w przyrodzie.
Denitryfikacja
Jest to redukcja azotanów i azotynów do wolnego azotu cząsteczkowego lub jego podtlenku (denitryfikacja całkowita) lub amoniaku ( denitryfikacja częściowa), wywołana przez bakterie denitryfikacyjne (denitryfikatory). W oczyszczalni ścieków denitryfikacja najczęściej jest połączona z procesem nitryfikacji.
NO3- + reduktor → N2↑+CO2 + H2O
Warunki denitryfikacji:
pH =6,5-7,5
stężenie tleny <0,5 gO2/m3
optymalna temperatura około 20oC
w ściekach muszą znajdować się związki węgla ( reduktor).
Zarówno denitryfikacja i nitryfikacja są częściami cyklu azotowego w przyrodzie.
Budowa złóż biologicznych
Złoża biologiczne to urządzenia stanowiące element biologicznej oczyszczalni ścieków. Opracowane i wdrożone do powszechnego stosowania już w XIX wieku, były niegdyś najpopularniejszą oraz najbardziej wydajną formą biologicznego oczyszczania ścieków, do momentu opracowania i wdrożenia wysokosprawnych metod osadu czynnego. Obecnie złoża biologiczne są bardzo często wykorzystywane do oczyszczania ścieków w terenach wiejskich dla zlewni o wielkości do 1000 RLM.
Nowoczesny materiał stanowiący podbudowę dla rozwoju mikroorganizmów wykonany jest z tworzyw sztucznych w formie pakietów lub pojedynczych kształtek luźno usypanych. Powierzchnia właściwa nowoczesnych wypełnień sięga 200m2/m3 co pozwala na efektywne oczyszczanie ścieków. Dawniej jako wypełnienie złóż biologicznych stosowano kamień, żużel, które charakteryzowały się powierzchnią sięgającą 50-60m2/m3.
Roślinne oczyszczalnie ścieków
Roślinne oczyszczalnie ścieków można zdefiniować jako ekosystemy bagienne, sztucznie tworzone w celu oczyszczania ścieków. W oczyszczalniach roślinnych za oczyszczanie odpowiada złożony proces w ,którym swoją role odgrywają wszystkie części składające się na proces oczyszczania: woda, podłoże mineralne, rośliny, mikroorganizmy, bezkręgowce i kręgowce. Tworzy się skomplikowany ekosystem oczyszczalni roślinnej.
W wyniku działania różnych wzajemnie powiązanych procesów biochemicznych substancję znajdujące się w ściekach zostają rozłożone na związki łatwo przyswajalne dla roślin ale przede wszystkim drobnoustrojów. Produktem tych przemian, są głównie CO2 z rozkładu materii organicznej i N2 z przemian związków azotu.
Podstawowe wymagania prawne dotyczące wprowadzania ścieków do wód i do ziemi
Ścieki wprowadzane do wód nie powinny wywoływać w nich takich zmian fizycznych, chemicznych i biologicznych, które uniemożliwiałyby prawidłowe funkcjonowanie ekosystemów wodnych i spełnienie przez wody określonych dla nich wymagań jakościowych, związanych z ich użytkowaniem wynikającym z warunków korzystania z wód regionu wodnego.
Ścieki wprowadzane do wód z indywidualnych systemów oczyszczania nie powinny przekraczać najwyższych dopuszczalnych wartości wskaźników zanieczyszczeń określonych w załączniku nr 1 do rozporządzenia, dla oczyszczalni ścieków komunalnych o RLM poniżej 2.000.
ścieki bytowe wprowadzane do wód nie powinny zawierać substancji zanieczyszczających w ilościach przekraczających najwyższe dopuszczalne wartości wskaźników zanieczyszczeń, które są określone w złączniku nr 1 do rozporządzenia, lub powinny spełniać minimalny procent redukcji zanieczyszczeń określony w tym załączniku.