cwiczenie 3

ĆWICZENIA Z GOSPODARKI ENERGETYCZNEJ, WODNEJ I ŚCIEKOWEJ;CZĘŚĆ MIKROBIOLOGICZNA
Ćwiczenie 3
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 nawet zwierzęta wyższe – np. 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
(ścieków), szybkością rozmnażania się bakterii oraz szybkością odpływu oczyszczonych
3
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.
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
4
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:
• 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.
5