LABORATORIUM Z OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW

Temat 1: MIKROSKOPOWE BADANIE

OSADU CZYNNEGO

Osad czynny - sztuczny ekosystem

W naszym środowisku odbywa się ciągła produkcja związków organicznych. Podczas licznych procesów życiowych tworzą się węglowodany, białka, tłuszcze itd..

Energia konieczna do syntezy tych substancji dostarczana jest przez słońce. Rośliny (m.in. również glony) zużywają tej energii do budowy swej substancji komórkowej.

Pierwiastki potrzebne do budowy komórki (węgiel, azot, wodór, tlen, fosfor, siarka, inne) pobierane są ze środowiska. Tak wytworzona materia organiczna może w dalszej kolejności służyć jako np. pożywienie dla różnych zwierząt, te zaś z kolei jako pożywienie dla innych organizmów. Rośliny i zwierzęta obumierają po pewnym czasie i wówczas bakterie wnoszą swój udział do naturalnego obiegu materii, poprzez rozkład martwej substancji organicznej. Składniki nieorganiczne, powstające w procesach mineralizacji, w dalszej kolejności ponownie wykorzystywane są przez organizmy fotosyntezujące, i w ten sposób zamyka się cykl obiegu materii w przyrodzie.

Organizmy saprofagiczne (przede wszystkim bakterie i niższe grzyby) spełniają więc w przyrodzie ważne zadanie: rozkładają materiał organiczny, który zużywają do własnej przemiany materii. Związki organiczne zostają częściowo rozłożone, a energia uzyskana w tych procesach służy do przemiany pozostałego materiału w nową substancję komórkową. W normalnych warunkach w ściekach nie ma dostatecznej liczby drobnoustrojów, aby mogły zapewnić szybki i efektywny rozkład związków organicznych. Umożliwia to dopiero zastosowanie procesu osadu czynnego.

Jeśli ścieki podda się napowietrzaniu, po pewnym czasie zaczyna się tworzyć samoistnie kłaczkowata zawiesina bakterii. W chwili przerwania napowietrzania kłaczki bakterii opadają na dno. Wodę nad osadową której stopień zanieczyszczenia wyraźnie się obniża, można usunąć. Kłaczki bakterii mogą być ponownie użyte do filtrowania nowej partii ścieków.

Mikroskopowe badanie osadu czynnego

Proces osadu czynnego jest obecnie powszechnie stosowany do oczyszczania ścieków. W praktyce, podstawowa zasada przebiegu procesu jest podobna, pomimo licznych wariantów technologicznych. Kłaczki zawiesiny osadu czynnego są najważniejszym elementem całego procesu. Wiele trudności eksploatacyjnych wynika z nieoptymalnej jakości kłaczków. Z tego powodu znajomość jakości tych kłaczków jest więc wprost niezbędna do interpretacji sprawności oczyszczania, co w efekcie prowadzi do osiągnięcia poprawy jakości ścieków opuszczających oczyszczalnię. I tak np. zmętnienie ścieków oczyszczonych w odpływie może być spowodowane nie tylko przez niezdolne do sedymentacji kłaczki osadu w osadniku wtórnym (nadmierny rozwój organizmów nitkowatych), lecz również przez ich zbyt małe rozmiary, oraz przez brak pierwotniaków lub obecność wolno pływających bakterii. Pomimo, że wszystkie te zakłócenia w identyczny sposób powodują zmętnienie oczyszczonych ścieków w odpływie, to przyczyną każdorazowo mogą być różne czynniki. Jest sprawą oczywistą, że aby móc wybrać właściwe postępowanie celem poprawy sprawności oczyszczania należy poznać prawdziwą przyczynę zakłóceń. Stąd też nieodzowne jest badanie mikroskopowe osadu czynnego, gdyż dopiero ono dostarcza informacji o rzeczywistej jakości kłaczków osadu. Poza tym konieczna jest regularna obserwacja osadu celem dokładnej kontroli procesu oczyszczania. Dzięki temu można stwierdzić pogorszenie się jakości osadu zanim jeszcze wystąpiły pro­blemy eksploatacyjne. Mikroskopowe badanie osadu nie należy jednak do rutynowych badań w oczyszczalniach ścieków. Istnieje ku temu kilka przyczyn, z których niewątpliwie najważniejszym jest fakt, że personel oczyszczalni ma utrudniony dostęp do informacji z tej dziedziny. Poza tym w różnych publikacjach omawiana jest zazwyczaj nie całość tego zagadnienia, lecz tylko pewne jej wycinki, jak np. pierwotniaki w osadzie.

Gdy wiek osadu wynosi poniżej trzech do pięciu dni, utlenianie amoniaku zostaje przerwane. Bakterie nitryfikujące rosną tak wolno, że mogą się utrzymywać jedynie w osadach o wyższym wieku. W wysoko obciążonych systemach osadu czynnego można znaleźć w fazie płynnej pomiędzy kłaczkami liczne wolno pływające bakterie. Najwidoczniej w fazie płynnej znajduje się jeszcze dostatecznie dużo substancji odżywczych, aby możliwy był wzrost bakterii. Ponadto przy wysokich obciążeniach osadu tworzą się przeważnie kłaczki o słabej strukturze. Mechaniczne obciążenie osadu, spowodowane napowietrzaniem prowadzi do powstawania wolno pływających bakterii. Zużycie tlenu przez osad w tego rodzaju instalacjach jest bardzo duże, komórki zawierają jeszcze liczne związki, które mogą być szybko rozłożone. Z tego powodu osad z takich instalacji musi być oddzielnie stabilizowany. Odbywa się to przeważnie w beztlenowych komorach fermentacyjnych, wspólnie z osadem wstępnym.

Niektóre zastosowania procesu osadu czynnego

W Holandii najbardziej rozpowszechnionym rodzajem procesu osadu czynnego jest rów cyrkulacyjny, oraz tzw. konwencjonalny system osadu czynnego. W systemach konwencjonalnych rozróżnia się ich dwa różne rodzaje. W tabeli 1. podane są ważniejsze różnice pomiędzy tymi systemami.

Tabela 1: Zestawienie najważniejszych parametrów procesu osadu czynnego przy różnym obciążeniu

	Rów cyrkulacyjny	Proces osadu czynnego niskoobciążony	Proces osadu czynnego wysoko obciążony
Oczyszczanie wstępne	brak	obecne	obecne
BSM [kg BZT5/kg SM*d] (obciążenie osadu)	0,05	0,1-0,4	>0,5
Czas napowietrzania w [h]	60-72	5-8	<4
Nitryfikacja	>90%	prawie całkowita^*	brak
Wiek osadu	4-14 tygodni	>5dni	<3-5 dni
Stabilizacja osadu	tlenowa	beztlenowa	beztlenowa

^*w zimie często niecałkowita

Z wyjątkiem obecności osadnika wstępnego wszystkie pozostałe różnice pomiędzy opisanymi powyżej systemami wynikają z różnego obciążenia osadu. Rów cyrkulacyjny ma bardzo niskie obciążenie osadu, skutkiem czego zawartość substancji odżywczych nie wystarcza do wysokiego stopnia rozwoju drobnoustrojów. Wiek osadu wynosi 4 do 12 tygodni. Stąd też wolno rozwijające się organizmy jak np. bakterie nitryfikujące mogą się utrzymywać w tym systemie oczyszczania. Przy tak niskim obciążeniu osadu kłaczki mają bardzo mocną strukturę. Liczba wolno pływających bakterii jest zazwyczaj bardzo mała. Osad jest stabilizowany tlenowo. Oznacza to, że znaczna część nowo powstałych i zmagazynowanych w komórkach mikroorganizmów związków (substancje zapasowe itp.), a także martwe komórki zostają rozłożone w czasie procesu napowietrzania. Z powodu niedoboru substancji odżywczych zużycie tlenu w takim osadzie jest nieduże. W konwencjonalnych systemach osadu czynnego pracuje się z wyższym obciążeniem osadu, przez co zwiększa się tempo wzrostu mikroorganizmów, osad zawiera również większą liczbę ży­wych komórek.

W nieco niżej obciążonych instalacjach może dochodzić do nitryfikacji, ale jest dłuższy niż aktualny wiek osadu, zostaje usunięte wraz z osadem nadmiernym. Z tego powodu w oczyszczalniach wysoko obciążonych obserwujemy znacznie mniejszą różnorodność organizmów w zawiesinie osadu, niż np. w osadach z rowów cyrkulacyjnych. Dotychczas niejasne jest, jak ten fakt wpływa na jakość oczyszczania ścieków. Niektóre związki nie zostają prawdopodobnie w oczyszczalniach wysoko obciążonych rozłożone, lub są rozkładane nie całkowicie, ponieważ organizmy dokonujące tego rozkładu nie mogą utrzymać się wystarczająco długo w tych warunkach. Przykładem na to jest brak organizmów nitryfikujących, powodujących utlenianie amoniaku, w oczyszczalniach, w których osady są młodsze niż 3-5 dni.

Bakterie i niższe, grzyby, które mają tylko niewielkie znaczenie w oczyszczaniu ścieków, rozmnażają się na bazie związków organicznych zawartych w ściekach. Same służą jednak organizmom wyższym jako pokarm. Należy tu wymienić pierwotniaki oraz w mniejszym zakresie - wrotki i nicienie. Organizmy te mają duży udział w procesie oczyszczania, ponieważ redukują liczbę wolnopływających, nie związanych z kłaczkami bakterii. Liczba tych wyższych organizmów jest zazwyczaj zmienna.

Ekologia osadu czynnego

W oczyszczalni ścieków stworzony zostaje kontakt pomiędzy ogromną liczbą różnych związków organicznych i nieorganicznych i dużą ilością różnorodnych mikroorganizmów. Nieprawdą jest, żeby wszystkie związki mógł być bezpośrednio przyswajane przez każdy organizm istnieją tu ogromne różnice. Niektóre mikroorganizmy są typowymi polifagami czyli "wszystkożercami", podczas gdy np. część bakterii jest znacznie bardziej wyspecjalizowana. Skład dopływających do oczyszczalni ścieków ma decydujące znaczenie dla populacji osadu. Np. w oczyszczalniach, do których odprowadzane są ścieki z mleczarni występują zupełnie inne organizmy niż w oczyszczalniach z dopływem ścieków bytowo-gospodarczych.

Ogólnie rzecz biorąc można powiedzieć, że te różnorodne drobnoustroje ostro ze sobą rywalizują o występujące w ściekach substancje odżywcze. Skład kłaczków zależy od wyników tej rywalizacji. Od jakości ścieków oraz głównie - od szybkości rozwoju różnych mikroorganizmów zależy wielkość populacji poszczególnych typów bakterii w zawiesinie kłaczków. Tempo rozwoju poszczególnych gatunków nie jest jednakowe, występują tu ogromne różnice. Poza tym szybkość rozmnażania nawet w obrębie jednego rodzaju bakterii też nie zawsze jest stała. Czas podziału komórek uzależniony jest od warunków środowiska, w którym znajduje się dany organizm. Jest on zależny od stopnia natleniania wody, wartości pH, jakości i stężenia dostępnych substancji odżywczych, temperatury itp. Tylko w optymalnych warunkach stopień rozwoju określonej grupy bakterii osiąga wartość maksymalną. Dla większości spotykanych w oczyszczalni ścieków bakterii rzeczywiste tempo wzrostu jest jednak wyraźne, mniejsze niż teoretyczny czas niezbędny do podziału ich komórek.

Populacja bakterii w systemie osadu czynnego tylko pozornie znajduje się w stanie równowagi, w rzeczywistości ulega stałym zmianom. Zmiany w populacji osadu są tak ukierunkowane, aby dostęp do substancji odżywczych innymi słowy- usuwanie znajdujących się w ściekach zanieczyszczeń odbywało się w optymalnych warunkach. Względnie stały charakter metody osadu czynnego jest z tym bezpośrednio związany. Populacja dostosowuje się w sposób ciągły do zmian w eksploatacji, do jakości ścieków, do wpływu pór roku itd. Pomimo, że ten proces dopasowywania się przebiega w sposób naturalny, istnieją jednakże pewne jego granice.

Poprzez usuwanie przyrostu osadu (tzn. usuwanie osadu nadmiernego) utrzymuje się na stałym poziomie ilość osadu znajdującą się w oczyszczalni. W ten sposób dochodzi do dość znacznego zaburzenia procesów równowagi i organizmy o wysokim tempie wzrostu mają przewagę nad organizmami wolno rosnącymi. Wszystkie organizmy, których okres rozwój u jednego pokolenia jest dłuższy pomaga w tworzeniu się kłaczków osadu czynnego odgrywa rolę pewna liczba dodatkowych czynników, a mianowicie:

• liczne bakterie wytwarzają śluzowate otoczki. Z pomocą tego
  śluzu, składającego się głównie z organicznych polimerów, komórki
  łączą się pomiędzy 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 (Fibrillae), 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 drobnoustroje potrzebują tlen do swej przemiany materii. Mieszanina: osad czynny - ścieki, jest napowietrzana celem dostarczenia wymaganej ilości tlenu. Bakterie znajdujące się na zewnętrznej powierzchni kłaczków osadu mogą pobierać tlen bezpośrednio z fazy wodnej. Bakterie we wnętrzu kłaczków otrzymuj 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". Organizmy w takim przypadku nie otrzymują tlenu molekularnego i z tego powodu zaczynają szukać innych źródeł tego tak niezbędnego do ich procesów życiowych pierwiastka. Znajdują go w azotanach - związkach azotu występujących w ście­kach jako zanieczyszczenia i zużywają dla swoich potrzeb. Wynikiem tych przemian jest uwalnianie azotu gazowego. Proces taki nazywany jest denitryfikacją.

Duża część zawartych w ściekach związków nie może być bezpośrednio pobierana przez zawarte w kłaczkach komórki. Zasadniczo tylko rozpuszczone, nie spolimeryzowane cząsteczki mogą przedostawać się przez ścianę komórki do jej wnętrza. Wielkość pozostałych związków musi być najpierw zredukowana poza komórką, co może nastąpić za pomocą enzymów, uwalnianych z organizmów. Wymaga to jednak pewnego czasu. Usuwanie zanieczyszczeń ze ścieków odbywa się szybciej rdz ich rozkład z udziałem bakterii. Spowodowane jest to przez procesy sorpcyjne. Większość obecnych w ściekach związków nie zostaje bezpośrednio wchłonięta do kłaczka, lecz najpierw jest adsorbowana na jego powierzchni. Następnie redukowana jest ich wielkość, poczym zostają wchłonięte przez komórkę i tam ulegają przemianom.

Skład kłaczków osadu czynnego i ich zadanie

W komorze napowietrzania najważniejszym elementem procesu oczyszczania są kłaczki osadu czynnego. Z czego składają się więc te kłaczki? Odpowiedź na to pytanie nie jest łatwa. Z grubsza mówiąc możemy w kłaczkach znaleźć następujące składniki:

• żywe drobnoustroje, głównie bakterie,

• martwe komórki,

• nieraz niewielkie organiczne cząstki, gromadzone w kłaczkach,

• części nieorganiczne, np. piasek ze ścieków; ich ilość może wynosić od 10 do 50% ogólnej masy kłaczków.

Skład kłaczków osadu czynnego w danej oczyszczalni zależy od bardzo wielu czynników, przy czym skład ścieków ma znaczenie decydujące. Ważne jest, aby wszystkie niezbędne substancje odżywcze były obecne w dostatecznej ilości. W niektórych ściekach przemysłowych występuje np. niedobór azotu lub fosforu, co upośle­dza rozwój wielu bakterii. Proces oczyszczania staje się wtedy niecałkowity, a powstający osad zawiera śluz utrudniający jego odwadnianie i powoduje wzrost indeksu osadu.

Obecność piaskownika lub osadnika wstępnego wpływa na zawartość dużych cząstek nieorganicznych w kłaczkach osadu. Również obciążenie oczyszczalni ma istotny wpływ na skład kłaczków osadu. Wiek osadu ma bezpośredni związek z obciążeniem oczyszczalni. Aby określony rodzaj bakterii znalazł się w populacji kłaczków, wiek generacji tego rodzaju bakterii musi odpowiadać co najmniej wiekowi osadu. W oczyszczalniach wysoko obciążonych liczba żywych komórek w osadzie jest większa niż w osadach, pochodzących z rowów cyrkulacyjnych o małym obciążeniu osadu.

Podczas napowietrzania ścieków zawarte w nich drobnoustroje tworzą spontanicznie kłaczki osadu. Najważniejszym warunkiem tworzenia się kłaczków jest niski stosunek zanieczyszczeń do drobnoustrojów (niskie obciążenie osadu). Sam proces powstawania kłaczków jest nadal niecałkowicie wyjaśnionym fenomenem.

Duża część związków organicznych zawartych w ściekach, w niektórych przypadkach nawet 60 do 70% nie ulega rozkładowi, lecz zostaje wbudowana bezpośrednio do żywych komórek. Dotyczy to nie tylko tworzenia się nowych komórek mikroorganizmów, ale również odkładania się substancji zapasowych w bakteriach. Obok tego konieczna jest również obecność w ściekach związków nieorganicznych. Do syntezy materii organicznej potrzebne są bakteriom pewne ilości węgla, azotu, fosforu, wodoru, tlenu, siarki itd. W normalnych ściekach bytowo-gospodarczych ilość obecnego węgla jest czynnikiem limitującym rozwój bakterii i z tego powodu podczas ich oczyszczania związki węgla ulegają prawie całkowitemu rozkładowi. Pozostałe komponenty, obecne w nadmiarze, znajdują się jeszcze w dużych ilościach w odpływie z oczyszczalni.

9

---