Temat 12-13: Mikrobiologia osadu czynnego

Temat 12-13: Mikrobiologia osadu czynnego
Aby zaliczyć to ćwiczenie student powinien:
znać podział metod oczyszczania ścieków; wiedzieć, co to jest osad czynny i flokulacja;
umieć scharakteryzować morfologię kłaczka (wielkość, kształt, struktura, nitkowatość); umieć
opisać sukcesję mikroorganizmów w osadzie czynnym; znać rolę poszczególnych grup
drobnoustrojów w oczyszczaniu ścieków i ich znaczenie wskaźnikowe w ocenie pracy osadu;
wiedzieć co to jest i od czego zależy puchnięcie włókniste i niewłókniste osadu; znać pojęcie
indeksu osadu czynnego.
Wyróżnia się trzy zasadnicze metody oczyszczania ścieków : mechaniczne, chemiczne
i biologiczne. W konkretnej oczyszczalni mogą być wykorzystane wszystkie wymienione
sposoby lub niektóre z nich. W oczyszczalniach biologicznych zanim ścieki zostaną poddane
działaniu mikroorganizmów, są wstępnie oczyszczane na drodze mechanicznej np. na kratach,
w osadnikach czy piaskownikach. Istnieją cztery stopnie oczyszczania ścieków :
I stopień - oczyszczanie mechaniczne, polegające na usuwaniu zanieczyszczeń stałych,
do zawiesin opadających włącznie,
II stopień - oczyszczanie biologiczne usuwające zanieczyszczenia rozpuszczone,
III stopień - usuwanie związków biogennych (głównie soli azotu i fosforu),
IV stopień - usuwanie resztkowych zanieczyszczeń trudno rozkładalnych, tzw. związków
refrakcyjnych (ten stopień oczyszczania określany jest jako odnowa wody).
Biologiczne oczyszczanie ścieków opiera się na naturalnych procesach
samooczyszczania, które zachodzą w każdym zbiorniku wodnym oraz w glebie, głównie
dzięki aktywności drobnoustrojów. Jednak zdolności samooczyszczania są często
niewystarczające do unieszkodliwienia tak dużych ilości ścieków, jakie powstają w wyniku
działalności człowieka. Dlatego w biologicznym oczyszczaniu dużych ładunków
zanieczyszczeń intensywność procesów samooczyszczania musi być zwielokrotniona
metodami inżynieryjnymi. Metody oczyszczania wykorzystujące specjalne urządzenia
intensyfikujące te naturalne procesy określa się jako sztuczne, natomiast metody oparte
wyłącznie na procesach samooczyszczania nazywane są metodami naturalnymi. Część
naturalnych sposobów oczyszczania ścieków ma charakter pośredni ze względu na pewien
stopień ingerencji człowieka w proces.
Do naturalnych metod oczyszczania należą m. in.: nawadnianie szerokoprzestrzenne pól,
filtry gruntowe, stawy ściekowe i oczyszczalnie hydrobotaniczne (np. trzcinowe).
Do sztucznych biologicznych metod oczyszczania należą: złoża biologiczne i osad
czynny. Sztuczne metody biologicznego oczyszczania ścieków, podobnie jak naturalne,
wykorzystują procesy samooczyszczania zachodzące w naturze, jednak ze zwielokrotnioną
intensywnością. Np. procesy przebiegające w złożach biologicznych przypominają
samooczyszczanie w glebie (udoskonalone „filtry gruntowe”), a metoda osadu czynnego
opiera się na podobnych zjawiskach zachodzących w środowisku wodnym (ulepszone „stawy
ściekowe”).
Osad czynny jest metodą oczyszczania, w której elementem oczyszczającym są bakterie
zlepione w kłaczki zawieszone w środowisku płynnym (ścieki). Kłaczki osadu powstają
podobnie jak błona biologiczna, w wyniku łączenia się bakterii zooglealnych wytwarzających
lepki śluz. Proces tworzenia się kłaczków, zwany flokulacją, zachodzi spontanicznie w
trakcie napowietrzania komory wypełnionej ściekami.
W oczyszczalniach pracujących metodą osadu czynnego ścieki, po oczyszczaniu
mechanicznym w osadniku wstępnym, są kierowane do komory osadu czynnego, zwanej
też komorą napowietrzania, gdzie odbywa się właściwe oczyszczanie biologiczne. Kłaczki
osadu wchodzą tu w kontakt ze ściekami w warunkach sztucznego napowietrzania i
intensywnego mieszania. Bakterie obecne w kłaczkach pochłaniają substancję organiczną ze
ścieków i część jej zużywają jako paliwo (źródło energii), część natomiast przyswajają jako
materię budulcową, co prowadzi do zwiększenia biomasy. Efektem tych procesów jest
mineralizacja ścieków i wzrost masy osadu czynnego.
Wykorzystanie zanieczyszczeń przez bakterie osadu czynnego.
Po kilku godzinach przetrzymywania ścieków w komorze, są one przepuszczane do osadnika
wtórnego, w którym zachodzi oddzielenie kłaczków od oczyszczonych ścieków. Kłaczki
osadzają się na dnie osadnika i są recyrkulowane albo z powrotem do komory napowietrzania,
by utrzymać stężenie biomasy (osad powrotny), albo do osadnika wstępnego i wraz z
osadem wstępnym usuwane z obiegu oraz unieszkodliwiane (osad nadmierny). Układ
technologiczny procesu osadu czynnego przedstawia rysunek:
Układ oczyszczalni ścieków z osadem czynnym:
1 - osadnik wstępny, 2 - komora osadu czynnego, 3 - osadnik wtórny, 4 - stacja pomp
osadowych, Qść - ścieki, Qn - osad nadmierny, Qr - osad powrotny
Jako, że elementem oczyszczającym w tej metodzie są kłaczki zlepionych bakterii, dlatego
ważne jest, aby proces flokulacji przebiegał prawidłowo i aby powstałe kłaczki miały
odpowiednią wielkość, kształt i strukturę. Flokulacja zależy od stopnia obciążenia osadu
ładunkiem zanieczyszczeń. Przy bardzo wysokim i bardzo niskim obciążeniu obserwuje się
bowiem zjawisko deflokulacji, czyli rozpraszania się bakterii skupionych w kłaczki. Gdy
osad jest nadmiernie obciążony, kłaczki są nie dotlenione, natomiast w przypadku
niedociążenia bakterie giną z braku pokarmu.
Wielkość kłaczków jest istotną cechą wpływającą na efektywność oczyszczania. Zależą
od niej dwa ważne procesy: biosorpcja (pochłanianie zanieczyszczeń ) i sedymentacja
(opadanie kłaczków). Biosorpcja jest etapem poprzedzającym biodegradację i zależy od
wielkości powierzchni kłaczków. Powierzchnia ta jest tym większa, im kłaczki są mniejsze.
Jednak zbyt małe kłaczki, choć mają dużą powierzchnię sorpcyjną, źle opadają w osadniku
wtórnym. Może to prowadzić do wtórnego zanieczyszczenia odbiornika, do którego
odprowadza się oczyszczone, ale nie oddzielone od kłaczków ścieki. Natomiast kłaczki zbyt
duże, choć świetnie sedymentują, to jednocześnie słabo oczyszczają ścieki. Wynika to z faktu,
że bakterie umieszczone w centralnej części dużego kłaczka mają utrudniony dostęp do tlenu i
zanieczyszczeń będących substratem pokarmowym. Kłaczki muszą więc wykazywać
właściwy stan rozdrobnienia zapewniający odpowiednie warunki tlenowe i pokarmowe.
Kształt kłaczków jest cechą, która może wskazywać na pewne niekorzystne zjawiska w
osadzie. Np. kształt gwiaździsty, pierzasty czy siatkowaty wiążą się zwykle z obecnością
mikroorganizmów nitkowatych (głównie bakterii i grzybów), których obecność w osadzie
jest niepożądana, gdyż powodują jego puchnięcie.
Struktura kłaczka może być spoista bądź luźna. W warunkach niedotlenienia lub braku
pokarmu kłaczki przybierają formę zbitych, obłonionych tworów koloru szarego. Obecność
takich kłaczków w osadzie powoduje spadek jego aktywności. Wiele różnych czynników
powoduje rozluźnienie kłaczków. Należą do nich: rozwój form nitkowatych, nadmiar lub
niedostatek tlenu, przeciążenie osadu lub warunki głodowe.
Niekorzystnym zjawiskiem obniżającym zdolności sedymentacyjne kłaczków jest
puchnięcie osadu czynnego. Z puchnięciem mamy do czynienia, gdy zwiększa się objętość
osadu przy zachowaniu tej samej masy. Liczbowo wyraża to indeks osadu, który
przedstawia objętość (w cm3) jednego grama jego suchej masy. Indeks wyraża więc gęstość
osadu, lub stopień uwodnienia. Jeden gram suchej masy dobrze pracującego osadu czynnego
ma zwykle objętość 67 cm3 (indeks = 67 cm3/g). Indeks osadu spuchniętego mieści się w
granicach od 100 - 400 cm3/g. Spuchnięty osad jest co prawda bardzo aktywny (duża
powierzchnia biosorpcyjna), jednak z powodu obniżonej opadalności nie może być on
oddzielony od oczyszczonych ścieków w osadniku wtórnym . Wiele jest przyczyn puchnięcia
osadu. Bezpośrednią przyczyną tego zjawiska mogą być organizmy nitkowate, bakterie
zooglealne, rozproszenie kłaczków lub wzrost lekkości osadu spowodowany wydzielaniem
się pęcherzyków gazu. Organizmy nitkowate (głównie bakterie i grzyby) wywołują tzw.
puchnięcie włókniste. Zwykle dochodzi do niego, gdy skład ścieków jest niewłaściwy (zbyt
duże ilości węglowodanów w stosunku do azotu i fosforu), w sytuacji przeciążenia osadu,
nagłych zmian obciążenia , niedotlenienia, zakwaszenia, zatrucia, obniżenia temperatury lub
niedostatecznie długiego przetrzymywania osadu w komorze napowietrzania. Do najczęściej
spotykanych mikroorganizmów nitkowatych należą bakterie: Sphaerotilus, Beggiatoa i
promieniowce. Mniej poznanym zjawiskiem jest puchnięcie niewłókniste. Wywołane jest
ono nadmierną produkcją pozakomórkowych substancji śluzowych przez pewne bakterie
zooglealne. Śluzy te wiążą bardzo dużo wody, co sprawia, że osad jest czterokrotnie silniej
uwodniony niż w przypadku spuchnięcia włóknistego. Zwiększenie indeksu osadu może też
spowodować rozproszenie kłaczków w wyniku zbyt silnej turbulencji w komorze lub też
wynoszenie osadu w osadniku wtórnym. Z tym drugim przypadkiem mamy do czynienia, gdy
osad jest zbyt długo przetrzymywany w osadniku i dochodzi do rozwoju beztlenowych
bakterii denitryfikacyjnych wydzielających pęcherzyki azotu cząsteczkowego.
Bakterie tworzące kłaczki nie są jedynymi organizmami występującymi w osadzie
czynnym. Oprócz bakterii występują tu liczne pierwotniaki i wrotki, rzadziej robaki,
pierścienice i grzyby. Biocenoza osadu czynnego ma charakter heterotroficzny.
Piramida przedstawiająca zależności troficzne w osadzie czynnym.
Bazą pokarmową całego zespołu organizmów jest materia organiczna dopływająca wraz
ze ściekami. Pierwszy poziom troficzny tworzą bakterie heterotroficzne, grzyby i
pierwotniaki saprotroficzne (korzenionóżki i wiciowce), które odżywiają się materią
organiczną w postaci roztworów i zawiesin. Drugi poziom stanowią pierwotniaki
holozoiczne (gr.holos - cały) odżywiające się całymi mikroorganizmami. Należą tu orzęski.
Wreszcie, najwyższy poziom troficzny zajmują orzęski drapieżne (zwłaszcza osiadłe gatunki
z grupy Suctoria, które zjadają pierwotniaki bakteriożerne) , a także bezkręgowce takie, jak
wrotki, robaki z grupy nicieni i in.
Organizmy obecne we wpracowanym osadzie czynnym tworzą zespół, który powstał w
wyniku procesu sukcesji. Początkowo w ściekach obecne są głównie bakterie, wiciowce
(Zooflagellata) i korzenionóżki (ameby) (Rhizopoda), a więc organizmy odżywiające się
materią organiczną zawartą w ściekach. Z czasem pojawiają się orzęski (Ciliata) zjadające
bakterie i drapieżne. Z orzęsków najwcześniej rozwijają się formy wolno pływające,
pożerające bakterie, które nie zlepiły się jeszcze w kłaczki (nie sflokulowane). W następnym
etapie, gdy proces flokulacji jest już zaawansowany, pojawiają się formy osiadłe orzęsków
(przyczepione do kłaczków). W ostatnim etapie rozwijają się wrotki (Rotatoria). Opisane
przemiany ilustruje wykres:
Sukcesja mikroorganizmów podczas hodowli osadu czynnego
Znajomość przemian sukcesyjnych w osadzie oraz właściwości biologicznych
mikroorganizmów jest przydatna w ocenie pracy oczyszczalni. Służy do tego analiza
mikroskopowa próbki osadu, obejmująca, oprócz opisu wyglądu kłaczków, również badanie
składu mikrofauny. Stwierdzenie dużej liczebności wiciowców i ameb (korzenionóżek), a
więc pierwotniaków pionierskich, świadczy o przeciążeniu osadu i jego niedotlenieniu (a
więc o warunkach przypominających początkowe etapy rozwoju osadu). Występowanie
orzęsków natomiast, zwykle świadczy o dobrej pracy osadu. Dotyczy to zwłaszcza form
osiadłych. Orzęski bakteriożerne wywierają stałą presję na populacje bakteryjne, które
pobudzane są przez to do ciągłych podziałów. Wynikiem tego jest odmładzanie się flory
bakteryjnej i jej zwiększona aktywność metaboliczna. Poza tym orzęski przyczyniają się do
klarowania ścieków zjadając nie sflokulowane bakterie. Obecność w osadzie wrotków
zwykle świadczy o dobrym natlenieniu osadu i jego stabilizacji.
CZĘŚĆ PRAKTYCZNA
Zadanie 1. Oznaczenie objętości osadu czynnego
1. Do leja Imhoffa wlać 1 dm3 zawartości komory osadu czynnego
2. Pozostawić osad na 30 min. w celu sedymentacji
3. Określić objętość osadu czynnego. Wyniki podać w [cm3/dm3].
Zadanie 2. Oznaczanie suchej masy osadu czynnego
1. Pobrać 10 cm3 zawartości komory osadu czynnego i filtrować przez zważone i
wysuszone w 1050C sączki bibułowe.
2. Po przefiltrowaniu suszyć sączki z osadem do stałej wagi w temp. 1050C.
3. Zważyć sączek z osadem i obliczyć wagę wysuszonego osadu (suchą masę). Wynik
podać w [g s.m./dm3].
Zadanie 3. Wyznaczanie indeksu osadu czynnego
obj. osadu w 1000cm 3
Indeks obliczyć korzystając ze wzoru: I =
sucha masa w g / 1000cm 3
Zadanie 4. Badanie aktywności enzymatycznej osadu czynnego
a. Aktywność dehydrogenazowa (test TTC)
Dehydrogenazy to enzymy katalizujące odłączanie wodoru od utlenianego substratu.
Aktywność dehydrogenazową określa się za pomocą sztucznego akceptora wodoru, który
przejmuje go od dehydrogenazy i na skutek redukcji zmienia swoje zabarwienie. Tym
akceptorem jest chlorek trifenylotetrazolowy – TTC. Bezbarwny TTC ulega redukcji do
czerwonego formazanu (trifenylofurazonu – TF).
1. Do probówki wlać pipetą 1 cm3 buforu Tris o pH 8,4 i 1 cm3 osadu czynnego
2. Dodać 0,4 cm3 roztworu TTC i umieścić probówkę w termostacie o temp. 37C
3. Inkubować przez 30 min.
Pojawienie się czerwonego zabarwienia świadczy o aktywności dehydrogenazowej osadu
b. Aktywność oksydazowa
W omawianym ćwiczeniu będzie wykrywana pewna specyficzna grupa oksydaz oksydazy fenolowe. Przenoszą one elektrony i protony ze związków fenolowych na tlen.
Związki fenolowe (np.pirokatechina) w wyniku utlenienia przechodzą w chinony, które
ulegają spontanicznej polimeryzacji z wytworzeniem ciemno zabarwionych barwników
melaninowych.
1. Wlać do probówki 1 cm3 osadu czynnego
2. Dodać kilka kropli 1% roztworu pirokatechiny
3. Inkubować w temp. 40C przez 15 min
Pojawienie się brunatnej barwy świadczy o aktywności oksydazowej próby.
c. Aktywność katalazowa
Katalaza, podobnie jak dehydrogenaza i oksydaza, należy do oksydoreduktaz. Jest to
enzym powszechnie występujący w komórkach organizmów tlenowych i jest jednym z
najszybciej działających enzymów (rozkłada truciznę – H2O2.). Mechanizm działania katalazy
polega na oderwaniu tlenu od jednej cząsteczki H2O2 i przeniesieniu go na drugą cząsteczkę
H2O2. W efekcie dochodzi do rozpadu obu cząsteczek nadtlenku wodoru i wytworzenia dwu
cząsteczek H2O oraz wydzielenia tlenu. Reakcja przebiega następująco:
H2O2
+
H2O2
KATALAZA
2 H2O
+
O2
1. Do probówki wprowadzić 1 cm3 osadu czynnego
2. Dodać kilka kropli roztworu H2O2 i obserwować pojawiające się zmiany.
Pojawienie się pęcherzyków gazu (jakiego?) świadczy o aktywności katalazowej.
d. Aktywność proteazowa
Proteaza jest hydrolazą katalizującą hydrolizę białek. Żelatyna jest białkiem, które pod
wpływem proteazy ulega hydrolizie, co przejawia się jej upłynnieniem.
1. Posiać osad metodą kłutą na słupek żelatynowy.
2. Po tygodniu inkubacji w temp. pokojowej sprawdzić, czy żelatyna uległa upłynnieniu.
e. Aktywność ureazowa
Ureaza jest hydrolazą katalizującą rozkład mocznika CO(NH2)2. W wyniku reakcji
uwalniają się grupy aminowe (-NH2)), które w roztworze wodnym przyjmują postać kationów
amonowych (NH4+) alkalizujących środowisko. Zmiana odczynu na zasadowy, wykrywana
zmianą zabarwienia indykatora obecnego w pożywce, pośrednio świadczy o aktywności
ureazowej.
1. Wprowadzić ezą próbkę osadu czynnego do pożywki
2. Inkubować w temp. 37C przez 48 godz.
W przypadku aktywności ureazowej pożywka zmieni kolor na amarantowy.
Zadanie 5. Makroskopowa i mikroskopowa analiza osadu czynnego
1. Próbę osadu czynnego ocenić pod względem następujących cech:
- barwa osadu,
- zapach osadu,
- obecność piany,
- wygląd cieczy nadosadowej
2. Wykonać preparat przyżyciowy osadu czynnego
3. Obserwować osad pod mikroskopem zwracając uwagę na morfologię kłaczków i skład
jakościowy mikrobiocenozy osadu czynnego
4. Wyniki obserwacji wpisać do arkusza