Gospodarka energetyczna, wodna i ściekowa Biologiczne oczyszczanie wody i ścieków Biologiczne oczyszczanie ścieków zachodzi w: komorach napowietrzania z osadem czynnym, na złożach biologicznych, glebie (filtry gruntowe, pola irygowane i pola nawadniane), stawach biologicznych (stabilizacyjnych, napowietrzanych, rybnych). Charakterystyka biologiczna osadu czynnego Osad czynny jest żywą, kłaczkowatą zawiesiną złożoną głównie z bakterii heterotroficznych. Oprócz nich w osadzie występują w mniejszych ilościach również inne organizmy, takie jak pierwotniaki i grzyby, a czasem wrotki i nicienie. Osad czynny jest biocenozą heterotroficzną, w której procesy rozkładu materii organicznej zdecydowanie dominują nad procesami jej syntezy. Osad czynny ma strukturę luźną, gąbczastą, złożoną z drobnych, kłaczkowatych tworów o różnym kształcie. Istnieje kilka teorii na temat tworzenia kłaczkowatej struktury osadu czynnego, czyli jego flokulacji. Głównym gatunkiem drobnoustrojów umożliwiającym flokulację jest Zooglea ramigera. Jednak zdolność do wytwarzania śluzu mają także inne gatunki bakterii, zwłaszcza gdy ścieki zawierają duże ilości związków organicznych. Wielkość i kształt kłaczków, czyli stan rozdrobnienia osadu czynnego, jest niezmiernie ważny dla procesu mineralizacji. Powierzchnia kłaczka i komórek leżących na peryferiach są najbardziej aktywnym obszarem wymiany pomiędzy środowiskiem zewnętrznym, a wnętrzem komórek. Im większa jest ta powierzchnia, tym intensywniej zachodzą również procesy biochemiczne wewnątrz komórki. Flokulacja osadu czynnego zmniejsza powierzchnię aktywną, lecz zbyt duża dyspersja kłaczków lub występowanie pojedynczych bakterii, uniemożliwia sedymentację drobnoustrojów i oddzielenie ich od ścieków. Z właściwym rozdrobnieniem osadu czynnego wiąże się często obserwowane zjawisko pęcznienia osadu czynnego. Pęcznienie osadu czynnego spowodowane jest przez nadmierny przerost kłaczków, które tracą w tych warunkach swój korzystny stosunek objętości do powierzchni aktywnej, źle sedymentują, wypływają na powierzchnię w postaci dużych, gąbczastych płatów. Pęcznienie ( puchnięcie ) osadu czynnego następuje wskutek 1
masowego rozwoju bakterii nitkowatych. Najczęściej zjawisko to wywołuje nadmierny rozwój Sphaerotilus natans, rzadziej Beggiatoa lub Thiothrix. Skład gatunkowy mikroflory w osadzie czynnym jest bardzo zróżnicowany, podlega stałym zmianom i zależy głównie od składu chemicznego ścieków. Osad czynny oczyszczający ścieki bytowo-gospodarcze jest bardziej zróżnicowany pod względem jakościowym niż osad, do którego dozowane są ścieki przemysłowe. Bakterie heterotroficzne stanowią główne część organizmów występujących w osadzie czynnym. Ich funkcja polega na enzymatycznym rozkładzie związków organicznych. Im większe zróżnicowanie tych drobnoustrojów, tym szersze możliwości enzymatyczne pozwalające na rozkład bardzo różnych substratów. W tej grupie drobnoustrojów następuje też najczęściej adaptacja enzymatyczna umożliwiająca metabolizm związków trudno podatnych na rozkład, zwłaszcza syntetycznych. Najczęściej spotykanymi gatunkami są Zooglea ramigera, Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas putida oraz bakterie z rodzaju Achromobacter, Bacillus, Flavobacterium. Ścieki zawierające duże ilości białek lub produktów ich hydrolizy, zapewniają w osadzie czynnym dominację bakteriom z rodzaju Alcaligenes, Flavobacterium i Bacillus, natomiast ścieki obfitujące w węglowodany lub węglowodory umożliwiają szybki rozwój Pseudomonas. W osadzie czynnym mogą również występować bakterie chemosyntetyzujące z rodzaju Nitrosomonas i Nitrobacter (bakterie nitryfikacyjne) oraz bakterie siarkowe z rodzaju Thiothrix i Beggiatoa. Grzyby są stosunkowo rzadko spotykane w osadzie czynnym. Rozwijają się w osadzie w warunkach niedostatecznego natlenienia, niskiego ph i nadmiaru węglowodorów. Przypisuje się im podobnie jak bakteriom nitkowatym wywoływanie zjawiska pęcznienia osadu. Do pierwotniaków najczęściej występujących w osadzie czynnym należą Vorticella, Carchesium i Opercularia, które w sprzyjających warunkach rozwijają się bardzo intensywnie. Ich ilość dochodzi do około 11 000 komórek/ml zawartości komory napowietrzania. Bardzo często występują również Cochliopodium (ameba), Anthophysa vegetans (wiciowiec) oraz orzęski Trachelophyllum pulsillum, Litonotus, Trochilia minor, Oxytricha pellionella, Stylonychia mytilus. Między liczebnością wiciowców i orzęsków w osadzie czynnym istnieje odwrotna proporcjonalność. Podczas, gdy duża liczba wiciowców z rodzaju Bodo, Hexamitus, Trepomonas i Trigonomonas, wskazuje na przeciążenie osadu czynnego związkami organicznymi i złą pracą osadu, orzęski zwłaszcza Vorticella i Aspidisia costata wskazują, że osad pracuje prawidłowo. Wiele gatunków orzęsków uznano za wskaźniki informujące o 2
efektach oczyszczania ścieków oraz obecności związków toksycznych (są one o wiele bardziej wrażliwe na trucizny niż bakterie). Rola pierwotniaków w osadzie czynnym: uczestniczą one w procesie bioflokulacji, są wskaźnikami jakości pracy osadu czynnego, jego natlenienia i obciążenia związkami organicznymi, niektóre gatunki, zwłaszcza holozoiczne, aktywnie uczestniczą w usuwaniu zanieczyszczeń ze ścieków, odżywiają się komórkami bakteryjnymi odmładzając i uaktywniając populację tych drobnoustrojów, klarują odpływ ścieków przez pożeranie wolno pływających bakterii. W osadzi czynnym mogą pojawiać się też masowo wrotki i nicienie. Wrotki są wskaźnikami dobrze pracującego osadu, lecz ich nadmierny rozwój, podobnie jak nicieni, może stać się przyczyną niekorzystnego ubytku biomasy osadu czynnego, który zwierzęta te pożerają w dużych ilościach. Oczyszczanie ścieków osadem czynnym Oczyszczanie ścieków osadem czynnym polega na mineralizacji związków organicznych przeprowadzonej głównie przez bakterie, na drodze tych samych procesów biochemicznych, które występują podczas samooczyszczania. Zanieczyszczenia organiczne są absorbowane na powierzchni kłaczków i mineralizowane na skutek procesów metabolizmu zachodzących w mikroorganizmach. Biologiczne oczyszczanie ścieków przebiega jednak ze znacznie większą intensywnością przede wszystkim dlatego, że liczba komórek bakterii, jaka występuje w osadzie czynnym, jest wielokrotnie większa niż w warunkach naturalnych. Ich zapotrzebowanie na tlen, jest zawsze w pełni pokrywane, gdyż ścieki wraz z osadem czynnym są w sposób ciągły napowietrzane. Brak tlenu nie może się zatem stać czynnikiem hamującym mineralizację co ma często miejsce podczas samooczyszczania. Ścieki po mechanicznym oczyszczeniu kierowane są do komór napowietrzania z osadem czynnym, czyli gęstą zawiesiną mikroorganizmów. Zawartość komory jest stale napowietrzana, co umożliwia dostarczenie wystarczającej ilości tlenu, utrzymującej 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 substancji odżywczych 3
(ścieków), szybkością rozmnażania się bakterii oraz szybkością odpływu oczyszczonych ścieków (wraz z pewną ilością osadu czynnego) panuje stan równowagi. Powstawanie osadu czynnego w komorze napowietrzania wymaga czasu. Aby czas ten skrócić można stosować szczepienie osadu przez dodanie pewnej jego ilości ze ścieków wcześniej oczyszczonych. Stałe utrzymanie kłaczków w stanie zawieszonym wymaga intensywnego mieszania zawartości reaktora. W czasie kontaktu ścieków z osadem czynnym, zachodzące procesy rozkładu umożliwiają jednocześnie rozwój biomasy osadu. Rozdziału ścieków od osadu dokonuje się w osadniku wtórnym. W urządzeniu tym następuje sedymentacja osadu i klarowanie oczyszczonych ścieków, które odprowadza się do odbiornika. Osad czynny może być ponownie używany. Jest on wówczas recyrkulowany jako tzw. osad powrotny, do komory napowietrzania. Często jednak, osad czynny przed ponownym włączeniem go do procesu oczyszczania trafia do komór regeneracyjnych, w których jest on napowietrzany w celu przywrócenia mu pełnej sprawności fizjologicznej. Oczyszczanie ścieków na złożach biologicznych Złoża biologiczne są zbiornikami wypełnionymi luźno ułożonym materiałem ziarnistym i porowatym. Służą one do biologicznego oczyszczania ścieków. Najważniejszą warstwą w złożu jest błona biologiczna. Jest to śluzowata warstwa złożona z bakterii, pierwotniaków, grzybów, a nawet pewnych glonów. Błona biologiczna otacza materiał stały, z którego zbudowane jest złoże. Spełnia ona w oczyszczaniu ścieków takie samo zadanie, jak osad czynny. Jednak w odróżnieniu od osadu, który jest zawieszony w ściekach i stale mieszany podczas napowietrzania, błona biologiczna jest tworem przylegającym do materiału stałego. W błonie biologicznej występują najczęściej bakterie należące do gatunku Zooglea ramigera, Sphaerotilus natans, bakterie siarkowe, zwłaszcza z rodzaju Chromatium. Pierwotniaki reprezentowane są przez niektóre gatunki wiciowców np. Euglena viridis i Bodo, oraz liczne orzęski z rodzaju Urostyla, Oxytricha, Paramaecium, Opercularia. Mniej licznie występują przedstawiciele Rhizopoda, jak np. Amoeba verrucosa. W powierzchniowych warstwach złoża można spotkać sinice z rodzaju Oscillatoria. W skład biocenozy złóż wchodzą czasem organizmy wyższe, np. wrotki, nicienie. Bardzo niebezpieczny dla pracy złoża jest masowy rozwój form nitkowatych. Organizmy te zarastają wolne przestrzenie pogarszając warunki tlenowe, a nawet powodując powstanie warunków anaerobowych. 4
Zasada działania złoża polega na stałym doprowadzaniu ścieków, ich przepływie przez złoże i kontakcie z błoną biologiczną, w trakcie którego następuje mineralizacja, oraz odpływie oczyszczonych ścieków. Do złoża doprowadzane jest powietrze, które zapewnia tlenowy charakter procesów rozkładu. Warunki te nie tylko umożliwiają biodegradację, ale również rozwój mikroorganizmom. Grubość warstwy zasiedlanej przez żywe drobnoustroje (błony biologicznej) nie przekracza zwykle 2-3mm. Przy dalszym jej rozwoju grubość może się zwiększyć, co powoduje niedotlenienie i złe odżywienie komórek leżących wewnątrz. Przy odpowiednio dobranym przepływie ścieków martwe części błony są ze złoża wypłukiwane, a pozostała część błony szybko regeneruje się i spełnia swą podstawową funkcję w oczyszczaniu. Biologiczne oczyszczanie ścieków w gruncie Biologiczne oczyszczanie ścieków w gruncie oparte jest o działalność biochemiczną mikroflory glebowej oraz drobnoustrojów dopływających ze ściekami. Tworzą one, po pewnym czasie, mikroskopijną błonę biologiczną dookoła cząstek strukturalnych gleby i wówczas wierzchnia warstwa gruntu działa jak filtr biologiczny. W warstwie tej zachodzi mineralizacja, a jednocześnie produkty końcowe tej mineralizacji użyźniają glebę. Ścieki muszą być wcześniej mechanicznie oczyszczone. Oczyszczanie ścieków w gruncie zachodzi na: filtrach glebowych, polach irygowanych, polach nawadnianych. Oczyszczanie ścieków w stawach biologicznych Stawy biologiczne są naturalnymi lub sztucznymi zagłębieniami terenu. Ścieki doprowadzane do stawów są mineralizowane, a sole mineralne wykorzystywane przez glony. Niektóre stawy są zarybiane i wówczas łańcuch pokarmowy zostaje przedłużony. Podczas eksploatacji stawu nie można dopuścić do wyczerpania tlenu, który pochodzi z dyfuzji i procesów fotosyntezy. Niekiedy staw jest napowietrzany sztucznie. Fitoplankton rozwijający się w stawach biologicznych reprezentowany jest przez drobne formy np. z rodzaju Chlorella, Synechococcus. Ze względu na małe wymiary komórek tych glonów, ich powierzchnia czynna jest bardzo duża. Przyjmuje się następujący podział stawów biologicznych: 5
stawy stabilizacyjne, w których zachodzi proces biologicznego usuwania zanieczyszczeń w drodze naturalnej, stawy napowietrzane, wyposażone w dodatkowe urządzenia napowietrzające, stawy rybne, w których oczyszczanie ścieków i gospodarka rybna są ze sobą powiązane. 6