Ilość azotu ogólnego (suma azotu amonowego, organicznego, azotynowego i azotanowego) w ściekach miejskich wynosi najczęściej od 20 do 60 g/m³. Najwięcej występuje go w postaci azotu amonowego (50−60%) i organicznego (40−50%). Natomiast formy mineralne (azotany i azotyny) na ogół nie przekraczają 0,5 g
.

Średni udział azotu ogólnego Kjeldahla (suma azotu amonowego i organicznego) w ściekach miejskich w kraju mieści się w przedziale 23−82,7 mg N_og./dm³. Jednak w większości ścieków jest ona większa od 40 mg N_og./dm³. Natomiast zawartość azotu amonowego wynosi około 40−60% azotu ogólnego Kjeldahla.

Kłaczki osadu czynnego są rozwinięte powierzchniowo. Ich środek zabarwiony jest najczęściej na beżowo i brązowo, a strefy brzegowe są jasne i mogą być wydłużone. Można rozpoznać bakterie w tych wydłużeniach i w strefach brzegowych, gdzie występują kolonie bakterii jednego rodzaju, natomiast różne rodzaje znajdują się w centralnej części kłaczka. Występują tutaj np.: Pseudomonas, Zoogloea. Wspólnota życiowa kłaczków stale się przeobraża. Spowodowane to jest zmianami składu ścieków, jak również rezultatem własnej dynamiki kłaczka.

W ściekach (szczególnie komunalnych) występuje duża różnorodność gatunków bakterii - od bakterii bytujących w jelitach ludzi i zwierząt, poprzez bakterie rozkładające celulozę, do charakterystycznych bakterii glebowych (w tym przyswajających azot z atmosfery).

Tylko niektóre bakterie mogą występować w ilościach dominujących. Są to następujące gatunki: Zoogloea, Comamonas, oraz rodziny: Arthrobacteriaceae i Pseudomonadaceae.

W tworzeniu kłaczków osadu czynnego dużą rolę pełnią niektóre gatunki Zoogloea ramigera oraz Sphaerotilus natans.

Pierwotniaki to organizmy zwierzęce należące do jednokomórkowych. W osadzie czynnym szczególną rolę pełnią orzęski, ale występują tu również wiciowce (Mastigophora = Flagellata), słonecznice (Heliozoa) i korzenionóżki (Rhizopoda) - ameby nagie, ameby skorupkowe.

Pokarmem dla pierwotniaków są bakterie, przez co populacja bakterii ciągle się odnawia. Pozwala to na uzyskanie najwyższej wydajności przemian biochemicznych, które zachodzą podczas oczyszczania ścieków osadem czynnym.

Orzęski pełnią rolę w tworzeniu kłaczków osadu czynnego oraz w klarowaniu ścieków.

Wiciowce to jednokomórkowce, zwykle większe od bakterii i mniejsze od orzęsków. W jednym litrze może ich być wiele milionów.

Występują tu też inne organizmy takie jak: wrotki, obleńce obłe, pajęczaki, widłonogi.

Wrotki są organizmami bardzo czułymi na zmiany składu osadu czynnego i na zmiany jakościowe dopływających ścieków. Gdy uzyskuje się wysoki efekt oczyszczania ścieków pojawiają się licznie.

Występowanie pajęczaków (Arachida) jest niekorzystne, gdyż powoduje ubytek osadu, zmętnienie odpływu oraz obniżenie efektu oczyszczania.

Na organizmy znajdujące się w kłaczkach osadu czynnego wpływają zarówno czynniki fizyczne, jak i chemiczne. Fizyczne to: temperatura środowiska, odczyn i zasadowość, potencjał oksydacyjno-redukcyjny, aeracja, mieszanie, turbulencja. Do chemicznych natomiast zaliczamy: substancje pokarmowe oraz substancje szkodliwe i toksyczne.

Temperatura środowiska wpływa na rozwój mikroorganizmów i procesy biochemiczne (przy wzroście temperatury o 10°C ich szybkość jest dwukrotna).

Temperatura wpływa na zdolność osadu czynnego do utleniania substancji organicznych w ściekach. Wpływ ten jest istotny w przedziale temperatur minimalnych 11−13°C oraz w 25°C.

Wysokie temperatury rzadziej prowadzą do zakłóceń niż niskie.

Oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego jest uwarunkowane transportem rozpuszczonego tlenu do komórek organizmów osadu czynnego (aeracja). Transport ten jest ograniczany przez szybkość utleniania substratu organicznego (maksymalna przy zawartości tlenu do 9,6 mg O₂/dm³).

Im mniejsze rozdrobnienie warstwy organizmów osadu czynnego tym większa wartość współczynnika przenikania tlenu.

Mikroorganizmy osadu czynnego rozwijają się w szerokim zakresie odczynu środowiska.

Procesy oczyszczania ścieków w warunkach tlenowych mają charakter oksydacyjny. Potencjał tych procesów jest większy od 200 mV. Dopływające do komór osadu czynnego ścieki nie mogą oddziaływać na organizmy osadu czynnego redukująco.

Właściwości utleniająco-redukcyjne osadu czynnego w zależności od rH przedstawiają się następująco:

• charakter redukcyjny przy rH < 15,

• brak właściwości zarówno utleniających jak i redukcyjnych przy 15 < rH < 25 (czyli przy E_h od 0 do 250 mV),

• charakter utleniający przy rH ≥ 25 (E_h ≥ 250 mV).

Dzięki mieszaniu cieczy w komorze napowietrzania ujednorodniane są składniki biorące udział w oczyszczaniu ścieków osadem czynnym. Składniki te to: substancje organiczne i mineralne, kłaczki organizmów osadu czynnego oraz tlen rozpuszczony. Mieszanie wpływa również na: wyrównywanie poziomu odczynu cieczy oraz temperatury całej masy cieczy, rozbijanie kłaczków osadu czynnego do wielkości optymalnej, wspomagane usunięcie dwutlenku węgla i innych produktów końcowych przemian biologicznych.

Aby ścieki (bytowo-gospodarcze, komunalne, przemysłowe) mogły być oczyszczone biologicznie metodą osadu czynnego, muszą spełniać określone warunki:

• muszą być pozbawione w maksymalnym stopniu piasków, zawiesin, olejów i tłuszczów,

• muszą być pozbawione metali ciężkich, przede wszystkim soli rtęci, chromu, srebra, miedzi i innych w dopuszczalnych stężeniach,

• muszą być pozbawione silnych utleniaczy i reduktorów, np. chloramin,

• muszą być zneutralizowane do pH 6,5−9.

Substancje szkodliwe i toksyczne to substancje nieorganiczne (kationy, aniony), utleniacze, metale ciężkie oraz substancje organiczne (węglowodory aromatyczne, fenole, nitrozwiązki, tiozwiązki i inne).

Najlepszym sposobem na usuwanie azotu ze ścieków jest wbudowywanie go w masę bakteryjną. Inne procesy powodują ponowne uwalnianie azotu i jego powrót do roztworu. Na stopień wiązania tego pierwiastka wpływa stosunek węgla organicznego do azotu (C/N). Jednak w ściekach komunalnych stosunek C/N jest o wiele za mały, aby prosty biologiczny proces oczyszczania powodował wbudowanie całego azotu w masę mikroorganizmów. W ten sposób można w ściekach komunalnych wyeliminować do 20% azotu w postaci masy bakteryjnej. Ponieważ takie zużycie azotu nie jest duże, to większość tego pierwiastka usuwana jest ze ścieków w postaci gazowej. Najpierw organiczne związki azotu przekształcane są do amoniaku i soli amonowych, później, w tlenowych warunkach, amonowe związki utleniane są do azotanów i azotynów (nitryfikacja). Na końcu, w beztlenowych warunkach, azotany redukowane są do azotu cząsteczkowego (denitryfikacja).

Prowadzone w latach 90-tych badania wykazały, iż niektóre bakterie, np. Paracoccus pantotropha (Thiosphaera pantotropha) i Paracoccus denitrificans mogą oprócz denitryfikacji przeprowadzać również heterotroficzną nitryfikację. Thiosphaera pantotropha jako akceptory elektronów potrafi wykorzystywać jednocześnie tlen i azotany. Bakteria ta posiada także zdolność wzrostu zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych. Thiosphaera pantotropha przy wysokim stosunku C/N oraz przy niskim stężeniu tlenu rozpuszczonego, szybciej asymiluje azot amonowy niż Nitrosomonas europaea.

Badania te wykazały również, iż w warunkach niskiego stężenia tlenu rozpuszczonego denitryfikację prowadzić mogą autotroficzne bakterie utleniające związki azotowe, a także autotroficzne bakterie utleniające związki amonowe (Nitrosomonas eutropha, Nitrosomonas europaea).

W latach 90-tych XX wieku opracowane zostały następujące nowe technologie:

• heterotroficzna nitryfikacja,

• tlenowa denitryfikacja,

• denitryfikacja prowadzona przez autotroficzne bakterie nitryfikujące,

• beztlenowe utlenianie amoniaku.

Tlenowa deamonifikacja to wewnątrzkomórkowe przemiany, które prowadzą do bezpośredniego utleniania związków amonowych do azotu cząsteczkowego.

Istnieje hipoteza, która mówi, że jeśli w osadach występuje ograniczony dostęp tlenu, to wówczas bakterie te przestawiają się z nitryfikacji do limitowanej tlenem autotroficznej nitryfikacji-denitryfikacji, co zwiększa ich szanse na przeżycie. Wydzielają one wtedy pęcherzyki azotu, które wynoszą je z osadów dennych na powierzchnię, czyli do korzystniejszych dla ich wzrostu warunków. Przemiany te wnoszą znaczący udział w przemianach związków azotu w warunkach niedoboru tlenu.

Niektóre bakterie ( np. Alcaligenes faecalis, Thiosphaera pantotropha) mogą prowadzić denitryfikację w warunkach w pełni tlenowych. Zdolność do denitryfikacji przy stężeniach bliskich nasyceniu wykazują również bakterie Microvirgula aerodenitrificans. Bakterie te nie przeprowadzają nitryfikacji w przeciwieństwie do innych tlenowych denitryfikatorów.

Bakterie Paracoccus pantotropha prowadząc tlenową deamonifikację wykorzystują jednocześnie tlen i azotany jako akceptory elektronów i mogą dzięki temu zwiększyć szybkość wzrostu.

Nie jest uzasadnione praktyczne wykorzystanie tlenowej deamonifikacji, gdyż szybkość nitryfikacji prowadzonej przez autotroficzne nitryfikatory jest większa niż szybkość tej prowadzonej przez heterotroficzne drobnoustroje. Prócz tego wymagany jest wysoki stosunek węgla do azotu. Z takich ścieków łatwo można w praktyce klasycznymi metodami usuwać związki azotu. Zastosowanie tlenowych denitryfikatorów obniża koszty oczyszczania ścieków, gdyż można usunąć z instalacji reaktor anoksyczny.

W procesie nitryfikacji można uzyskać stężenie azotu w odpływie nawet mniejsze od 1 g
/m³. Trzeba tylko zachować odpowiednie parametry i warunki prowadzenia procesu nitryfikacji. Znacznie wzrośnie jednak wówczas ilość azotanów.

Efektywność denitryfikacji ocenia się m.in. bezpośrednio oznaczając szybkość: ubytku azotanów, wytwarzania produktów gazowych (N₂, N₂O, NO) lub azotynów.

Podstawę oczyszczania ścieków w technologii osadu czynnego stanowią mikroorganizmy zawieszone w toni wodnej. Do reaktora, w którym znajdują się organizmy stale doprowadzany jest pokarm. Zawartość reaktora poddawana jest mieszaniu i napowietrzaniu. Dzięki temu organizmy zaopatrywane są w tlen i utrzymują się w stanie zawieszenia. Z reaktora mieszanina wypierana jest do osadnika wtórnego w wyniku ciągłego dopływu ścieków. W osadniku wtórnym organizmy ulegają sedymentacji. Ciecz, która zawiera resztki pokarmu odpływa, natomiast masa organizmów wędruje z powrotem do reaktora. Część osadu czynnego, która zostaje zatrzymana i zawrócona do komory osadu czynnego to osad recyrkulowany. Reszta osadu, która jest usuwana z systemu i unieszkodliwiana to osad nadmierny.

W kłaczku osadu czynnego znajduje się dużo różnorodnych mikroorganizmów, dzięki czemu proces osadu czynnego jest procesem uniwersalnym i skutecznie rozkłada dużo różnorakich związków. Największe znaczenie dla populacji osadu ma skład dopływających ścieków. Drobnoustroje rywalizują ze sobą o substancje odżywcze zawarte w ściekach i ta rywalizacja uzależnia skład kłaczków.

Najpierw mikroorganizmy powodują biokoagulację zanieczyszczeń, później ich adsorpcję na kłaczkach, a na końcu ich utlenianie. Duża część związków organicznych zawartych w ściekach nie ulega rozkładowi, ale zostaje wbudowana bezpośrednio do żywych komórek (nawet 60-70%). Tworzą się nowe komórki drobnoustrojów i odkładają się substancje zapasowe w mikroorganizmach.

Kłaczki osadu czynnego odgrywają rolę w sorpcji zanieczyszczeń. Procesy sorpcyjne powodują, iż usuwanie zanieczyszczeń ze ścieków odbywa się szybciej niż ich rozkład - z obecnością bakterii. Większość związków znajdujących się w ściekach nie jest wchłaniana bezpośrednio do kłaczka, ale jest adsorbowana na jego powierzchni.

Mikroorganizmy, które znajdują się i rozwijają w kłaczkach osadu czynnego rozkładają substancje organiczne, a dzięki napowietrzaniu, proces tego rozkładu ma silnie utleniający charakter. Należy tak dobrać mikroorganizmy, aby były przystosowane do rozkładu określonych substratów. Ważna jest także adaptacja osadu czynnego, która pozwala uzyskać właściwe efekty usuwania zanieczyszczeń oraz uwiarygodnić uzyskane wyniki.

Dzięki metodzie oczyszczania ścieków z wykorzystaniem osadu czynnego, część azotu zawartego w ściekach jest utleniana, a część przetwarzana w biomasę. Efekt oczyszczania ścieków zależy od przyrostu organizmów osadu czynnego podczas trwania procesu, od obciążenia osadu czynnego, a także od czasu, temperatury i zawartości osadu czynnego.

Biofilm (błona biologiczna) to warstwa stacjonarna związana ze stałym podłożem (wypełnieniem) składająca się ze skupisk bakteryjnych (zooglealnych) połączonych śluzem. Na ten wielokomórkowy złożony układ składają się małe kolonie bakterii oraz wytwarzane przez nie substancje nieorganiczne i organiczne (tzw. egzopolimery) tworzące warstwę otaczającą (glikokaliks - macierz pozakomórkową).

Organizmy żyjące w błonie biologicznej mogą być autotrofami jak i heterotrofami, a najważniejsze grupy to:

• bakterie - dominujące to: Zoogloea ramigera (ma największe znaczenie w tworzeniu masy żelatynowej błony), Sphaerotilus, Nitrobacter, Nitrosomonas, bakterie siarkowe: Thiohrix i Begiatoa (występują w warstwie beztlenowej) oraz Chromatium,

• glony (Euglena, Chlorella) rosną na nasłonecznionych powierzchniach złóż biologicznych i dostarczają 5% tlenu, który wykorzystują mikroorganizmy uczestniczące w procesie oczyszczania,

• grzyby - najczęściej występują w złożach biologicznych wysoko obciążonych, np. Fusarium aquedutum,

• pierwotniaki (Opercularia, Epistylis, Ciliata, Euplotes, Rotatoria), owady (Psychoda, Cricotopus) i robaki (Tubifex, Lumbreillus rivalis).

Tworzenie się biofilmu bakteryjnego można podzielić na trzy etapy:

1. adhezja pojedynczych komórek do powierzchni stałych,

2. powstawanie mikrokolonii i różnicowanie populacji bakterii,

3. powstanie dojrzałej struktury biofilmu.

Czynniki wpływające na szybkość tworzenia się biofilmu to:

• obecność substancji pożywkowych,

• powierzchnia nośnika,

• temperatura,

• stężenie substratu w medium i szybkość przepływu cieczy.

W technologii oczyszczania ścieków wykorzystywane są wielogatunkowe biofilmy do usuwania zanieczyszczeń ze ścieków. Zanieczyszczenia doprowadzane są do wierzchniej warstwy błony gdzie następuje ich sorpcja i transport w głąb biofilmu. Znajdujące się w ściekach substancje występują w postaci koloidalnej lub zawieszonej i w takiej formie nie mogą wnikać do wnętrza biofilmu. Muszą wcześniej zostać rozłożone na jego powierzchni do prostych cząstek i dopiero wtedy dyfundują do jego wnętrza gdzie są metabolizowane. Końcowe produkty metabolizmu przenoszone są do fazy ciekłej w przeciwnym kierunku niż substraty.

Na złożach powinny być oczyszczane ścieki, które są wstępnie oczyszczone. Składnikami niezbędnymi do rozwoju błony biologicznej oraz do procesów metabolizmu są azot i fosfor.

W oczyszczalni ze złożami biologicznymi uzyskuje się stopień oczyszczania ścieków 65−95%, przy czym nie przekracza on 85% dla złóż spłukiwanych. Uzyskiwane na złożach biologicznych efekty oczyszczania ścieków są porównywalne do innych metod.

Porównując złoża biologiczne z procesem osadu czynnego, charakteryzują się one mniejszym zużyciem energii, łatwiejszą lub w ogóle nie wymaganą obsługą oraz większą prostotą. Zwykle jednak ich koszty instalacji są wyższe niż koszty inwestycyjne procesu osadu czynnego, ale znacznie niższe są ich koszty eksploatacji, więc dzięki temu ogólny koszt w przypadku złóż biologicznych jest mniejszy. W komorach napowietrzania procesu osadu czynnego czas zatrzymania ścieków jest o wiele dłuższy (godziny, dni) niż w złożach biologicznych (sekundy).

Systemy oczyszczania ścieków są instrumentami oczyszczającymi i odprowadzającymi odpady wewnątrz układu.

Azot jest usuwany z wykorzystaniem procesów nitryfikacji i denitryfikacji w następujących systemach:

• klasyczna metoda osadu czynnego [w procesie biologicznego oczyszczania osadem czynnym w układzie klasycznym (konwencjonalnym) przebiegać może nitryfikacja połączona z usuwaniem związków węgla. Rozkład związków organicznych zachodzi w jednej lub kilku komorach],

• wydzielony proces nitryfikacji (Proces nitryfikacji został wydzielony z układu biologicznego oczyszczania osadem czynnym w celu lepszej kontroli i lepszych warunków eksploatacji. Wadą tej nitryfikacji są gorsze właściwości bioflokulacyjne i sedymentacyjne osadu porównując z właściwościami osadu powstającego w układach konwencjonalnych. Objawia się to dużą ilością zawiesin w odpływie. Praktycznie jednak, efekty uzyskiwane poprzez nitryfikację wydzieloną i nitryfikację połączoną z usuwaniem związków węgla są podobne.),

• denitryfikacja wydzielona z zewnętrznym lub wewnętrznym źródłem węgla (Denitryfikacja może przebiegać z zewnętrznym albo wewnętrznym źródłem węgla, a po zmniejszeniu ładunku zanieczyszczeń może zostać wydzielona po nitryfikacji. W systemach osadu czynnego denitryfikację prowadzi się równocześnie we wspólnym systemie przemian stosując jako źródło węgla oczyszczane ścieki. Jest to korzystne ekonomicznie, gdyż poprzez zintegrowanie procesów utleniania węgla, nitryfikacji i denitryfikacji usuwa się organiczne i mineralne związki azotu ze ścieków oraz obniża w wysokim stopniu BZT₅. W zintegrowanych systemach prowadzi się denitryfikację wtórną, symultaniczną albo wstępną jednostopniową lub kilkustopniową.),

• denitryfikacja wtórna z wewnętrznym źródłem węgla,

• denitryfikacja symultaniczna w reaktorze cyrkulacyjnym osadu czynnego (Denitryfikację symultaniczną charakteryzują małe koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. W całym tym procesie oczyszczania ilość osadu jest mniejsza niż w konwencjonalnej metodzie oczyszczania osadem czynnym. Porównując z systemami, w których prowadzona jest tylko nitryfikacja mniejsze jest także zużycie tlenu.),

• denitryfikacja wstępna jednostopniowa,

• denitryfikacja naprzemienna (Denitryfikacja naprzemienna jest odmianą denitryfikacji symultanicznej. Proces ten przebiega w reaktorach z osadem czynnym poprzez okresowe włączanie i wyłączanie urządzeń do napowietrzania. Charakteryzują ją niskie koszty, jednak przy napowietrzaniu sprężonym powietrzem trzeba stosować dyfuzory odporne na zatykanie).

Usuwanie azotu w wyniku procesu nitryfikacji-denitryfikacji może być prowadzone w następujących systemach:

• system OA (Oxic-Anoxic) (usuwanie azotu w procesach nitryfikacji i denitryfikacji rozdzielonych przestrzennie; wykorzystanie osadu czynnego; konieczne dodatkowe źródło węgla),

• system AO (Anoxic-Oxic) (usuwanie azotu w procesach denitryfikacji i nitryfikacji rozdzielonych przestrzennie; wykorzystanie osadu czynnego; denitryfikacja nie jest ograniczana; konieczność recyrkulacji zawartości komory nitryfikacji do komory beztlenowej w celu dostarczania azotanów),

• system AOA (dodatkowa komora anoksyczna w systemie AO),

• system A²O (Anaerobic-Anoxic-Oxic) - układ Bardenpho (komora beztlenowa, dwie komory anoksyczne i dwie komory tlenowe - pięciostopniowy system; usuwanie azotu i fosforu; wykorzystanie osadu czynnego),

• system DEPHANOX (system dwuosadowy; usuwanie azotu i fosforu; wykorzystanie unieruchomionego materiału biologicznego do nitryfikacji),

• reaktor CIRCOX (strefy tlenowe i anoksyczne w pojedynczym reaktorze; reaktor cyrkulacyjny, który wykorzystuje mikroorganizmy unieruchomione na drobnoziarnistym nośniku; w jego skład wchodzą współśrodkowe cylindry, które tworzą strefy tlenowe i anoksyczne),

• system Carrousel (wywodzi się z układu OA) (strefy tlenowe i anoksyczne w pojedynczym reaktorze; składa się z układu rowów z aeratorami powierzchniowymi; strefy anoksyczne powstają w tym układzie w wyniku zużywania tlenu przez rosnące drobnoustroje),

• reaktory z obracającymi się tarczami (wykorzystanie błony biologicznej na powierzchni tarcz; fazy napowietrzania tworzą się podczas ociekania cieczy na wynurzonej części dysku, a fazy anoksyczne powstają w części zanurzonej lub w głębszych warstwach biofilmu. Umożliwia to przebieg nitryfikacji i denitryfikacji),

• reaktory sekwencyjne [rozdzielenie procesów nitryfikacji i denitryfikacji w czasie; działają okresowo; wykorzystanie osadu czynnego. Przeprowadzanie nitryfikacji i denitryfikacji możliwe jest dzięki naprzemiennie występującym okresom napowietrzania (następuje tlenowy wzrost drobnoustrojów oraz przebiega nitryfikacja związków amonowych) i okresom braku napowietrzania (panują warunki anoksyczne, w których przebiega denitryfikacja); możliwoć usuwania związków fosforu],

• system Bio-Denipho (można go zaliczyć do grupy AO) (związki azotu usuwane są w dwóch komorach, gdzie warunki tlenowe i anoksyczne panują naprzemiennie. Do pierwszej komory, w której panują anoksyczne warunki dopływają ścieki i zachodzi tutaj denitryfikacja. Równolegle w drugiej komorze, gdzie panują tlenowe warunki przebiega nitryfikacja).

1

---