Działanie procesu osadu czynnego wymaga odpowiedniej kontroli wielu parametrów, w tym kontroli MLSS, jednego z najczęściej stosowanych wskaźników w codziennej pracy systemów kanalizacyjnych.
1. Definicja MLSS
Stężenie osadu czynnego odnosi się do zawartości zawiesiny w mieszanym płynie na wylocie zbiornika napowietrzającego, oznaczonej symbolem MLSS, w jednostkach mg/L. Służy do pomiaru ilości osadu czynnego w zbiorniku napowietrzającym. Całkowita kwota MLSS obejmuje następujące cztery aspekty:
Aktywne mikroorganizmy;
Nie-biodegradowalna materia organiczna zaadsorbowana na osadzie czynnym;
Pozostałości z samo-utleniania drobnoustrojów;
Materia nieorganiczna.
Podczas eksploatacji szczególnie ważne jest, aby pamiętać, że MLSS odnosi się wyłącznie do stężenia zmieszanej cieczy w zbiorniku napowietrzającym, z wyłączeniem stężenia zmieszanej cieczy w osadniku wtórnym. Ponadto, monitorując stężenie wymieszanej cieczy w zbiorniku napowietrzającym, istotne jest, aby zastosować stężenie wymieszanej cieczy na wylocie zbiornika napowietrzającego jako standard do pomiaru stężenia osadu czynnego w całym zbiorniku napowietrzającym.
2. Związek pomiędzy stężeniem osadów a innymi wskaźnikami kontroli
1. Zależność stężenia osadu czynnego od wieku osadu
Wiek osadu to operacyjny sposób osiągnięcia docelowego wieku osadu poprzez usunięcie osadu czynnego. Rozsądny zakres kontroli stężenia osadu czynnego można określić na podstawie rozsądnego wieku osadu i stosunku pożywienia-do-mikrobów. W rzeczywistości, jeśli stężenie osadu czynnego zostanie nadmiernie zwiększone, wiek osadu będzie szczególnie długi, przekraczając normalnie kontrolowaną wartość wieku osadu, nawet jeśli stężenie wpływającej materii organicznej nie jest wysokie. To wyraźnie wskazuje, że stężenie osadu czynnego jest kontrolowane zbyt wysoko, co jest znacznie dokładniejsze niż ocena, czy stężenie osadu czynnego wymaga kontroli na podstawie jego wartości bezwzględnej.
2. Zależność stężenia osadu czynnego od temperatury wody
Wzrost, reprodukcja i metabolizm osadu czynnego w zbiorniku oczyszczania biologicznego są ściśle powiązane z temperaturą wody. Na każde 10 stopni spadku temperatury wody aktywność osadu czynnego zmniejszy się o połowę; gdy temperatura wody jest niższa niż 10 stopni, efekt leczenia jest wyraźnie słaby. Aby rozwiązać ten problem, stężenie osadu czynnego można dostosować do zmian temperatury wody:
Gdy temperatura wody jest niska, można zwiększyć stężenie osadu czynnego, aby zrównoważyć negatywny wpływ zmniejszonej aktywności osadu czynnego, uzyskując w ten sposób zwiększoną skuteczność usuwania przy niskich temperaturach wody.
Gdy temperatura wody jest wysoka, aktywność osadu czynnego jest intensywna. Zbyt wysokie stężenie osadu czynnego niekorzystnie wpływa na osadzanie się osadu czynnego. W takim przypadku zmniejszenie stężenia osadu czynnego może zapobiec tworzeniu się nieosadzonych kłaczków i mętnego supernatantu.
3. Zależność pomiędzy stężeniem osadu czynnego a stopniem jego osiadania
Stężenie osadu czynnego wpływa na końcowy stopień osadzania. Wyższe stężenie osadu czynnego skutkuje wyższym końcowym stopniem osadzania i odwrotnie. Dzieje się tak, ponieważ wyższe stężenie osadu czynnego prowadzi do większej ilości biologicznej, co skutkuje wyższym współczynnikiem osadzania po kompresji i sedymentacji. Kluczową różnicą w stosunku do innych czynników, które mogą zwiększyć stopień osadzania, jest obserwacja, czy sprężony osad czynny jest gęsty i czy jego kolor jest ciemnobrązowy. W przypadkach, gdy zwiększone stężenie osadu nieaktywnego- prowadzi do wyższego współczynnika osadzania, jest to zwykle spowodowane słabym zagęszczeniem i matową barwą.
Oczywiście zbyt niskie stężenie osadu czynnego również znacząco wpływa na stopień osadzania. Często jednak nie jest to spowodowane celowym obniżaniem przez operatorów stężenia osadu czynnego, ale raczej zbyt niskim stężeniem wpływającej materii organicznej. W takich przypadkach operatorzy czując, że stężenie osadu czynnego jest zbyt niskie, próbują je zwiększyć, co skutkuje starzeniem się osadu czynnego. Obserwacja końcowego stopnia osadu ujawni typowe oznaki starzenia się osadu czynnego: wysoką ściśliwość, ciemny kolor i klarowny supernatant zawierający drobne kłaczki.
Jeśli na skutek nieprawidłowego odprowadzania osadu wystąpi niski stopień osadzania, obserwacja wykaże również, że osadzony osad czynny ma bladą barwę, słabą ściśliwość i jest rzadki.
3. Wpływ zagęszczenia osadów na nitryfikację i denitryfikację
1. Wpływ zagęszczenia osadów na nitryfikację
Na nitryfikację wpływa wiele czynników środowiskowych, w tym pH, temperatura, SRT, DO, BZT/TKN, stężenie osadu i substancje toksyczne. W rzeczywistych oczyszczalniach ścieków podczas działania procesu można kontrolować jedynie parametry takie jak SRT, DO, BZT/TKN i stężenie osadu.
A. W nitryfikacji tlenowej wyższe stężenia osadu powodują stosunkowo wyższe stężenie bakterii nitryfikacyjnych, co prowadzi do wyższego tempa nitryfikacji tlenowej w warunkach wysokiego stężenia osadu.
B. Aby zapewnić obecność bakterii nitryfikacyjnych w osadzie biologicznym, niezbędny jest określony wiek osadu. Stworzenie sprzyjających warunków życia bakteriom nitryfikacyjnym dodatkowo zwiększa ich udział w zbiorowisku drobnoustrojów, zwiększając tym samym ich stężenie. Przy wysokich stężeniach osadu więcej BZT jest zużywane w fazie beztlenowej, co skutkuje stosunkowo niższym stosunkiem BZT/TKN w fazie tlenowej.
Niektóre badania wykazały odwrotną zależność pomiędzy udziałem bakterii nitryfikacyjnych w osadzie czynnym a BZT/TKN. Ponieważ bakterie nitryfikacyjne są autotroficzne, stężenie substratu organicznego nie jest czynnikiem ograniczającym ich wzrost. Jeśli jednak stężenie substratu organicznego jest zbyt wysokie, spowoduje to szybką-wzrost-bakterii heterotroficznych, które będą się szybko rozmnażać, konkurując o rozpuszczony tlen. Spowalnia to rozwój bakterii autotroficznych i uniemożliwia tlenowym bakteriom nitryfikacyjnym uzyskanie przewagi, co skutkuje zmniejszonym tempem nitryfikacji.
C. Rozpuszczony tlen (DO) jest na ogół ważnym wskaźnikiem na etapie nitryfikacji w oczyszczalniach ścieków, zwykle powyżej 2 mg/l. W większości procesów z rowem utleniającym, średnia wartość DO w rowie jest trudna do osiągnięcia 2 mg/l, zwykle utrzymując się na poziomie 1 mg/l lub niższym. Jednak efekt nitryfikacji jest nadal dobry. Powodem tego jest to, że stosunkowo wysokie stężenie osadu, charakterystyczne dla rowów utleniających, chociaż skutkuje niższą wartością DO, wzmacnia inne czynniki sprzyjające nitryfikacji.
Zwiększone stężenie osadu zwiększa efektywną objętość zbiornika oczyszczania biologicznego, jednocześnie zmniejszając jego obciążenie. Z innej perspektywy zwiększenie stężenia osadów zwiększa również wydolność tlenową mikroorganizmów. W tych samych warunkach napowietrzania odczyt miernika rozpuszczonego tlenu również powinien być niższy. Powyższe punkty wyjaśniają, że zwiększenie stężenia osadu może odpowiednio zmniejszyć wartość rozpuszczonego tlenu (DO) w zbiorniku oczyszczania biologicznego, przy jednoczesnym utrzymaniu dobrego poziomu nitryfikacji.
D. Aby zapewnić normalny wzrost i rozmnażanie się bakterii nitryfikacyjnych w osadzie czynnym, wiek osadu powinien zasadniczo być kontrolowany na dłużej niż 8 dni. Aby jednak zapewnić względnie zrównoważoną przewagę konkurencyjną bakterii nitryfikacyjnych nad innymi bakteriami heterotroficznymi, należy podnieść wiek osadu, nie powodując jego gwałtownego starzenia, co odpowiednio zwiększa stężenie osadu w układzie biologicznym.
2. Wpływ zagęszczenia osadów na denitryfikację
Biologiczna denitryfikacja to proces, w którym bakterie denitryfikacyjne wykorzystują jonowy tlen zawarty w azotanach do rozkładu materii organicznej w warunkach beztlenowych. Azotan jest redukowany do N2, kończąc proces denitryfikacji. Bakterie denitryfikacyjne to heterotroficzne bakterie fakultatywne występujące powszechnie w systemach oczyszczania ścieków. W warunkach tlenowych wykorzystują tlen do oddychania i oksydacyjnego rozkładu materii organicznej.
W warunkach bez tlenu cząsteczkowego, gdy jednocześnie obecne są jony azotanowe i azotynowe, mogą one wykorzystywać tlen zawarty w tych jonach do oddychania, utleniania i rozkładu materii organicznej. Bakterie denitryfikacyjne mogą wykorzystywać szeroką gamę substratów organicznych jako donory elektronów w procesie denitryfikacji, w tym węglowodany, kwasy organiczne, alkohole, a nawet związki, takie jak alkany, benzoesany i inne pochodne benzenu, które często są głównymi składnikami ścieków. Na szybkość denitryfikacji wpływa wiele czynników, w tym pH, temperatura, rozpuszczony tlen (DO), stosunek węgla-do-azotu (stosunek C/N) i stężenie osadu. W rzeczywistych oczyszczalniach ścieków podczas przebiegu procesu można kontrolować jedynie takie parametry, jak DO i stężenie osadu. Chociaż stosunek C/N jest najważniejszym czynnikiem wpływającym na reakcję denitryfikacji, jest on w dużym stopniu zależny od jakości wody dopływającej i ogólnie jest trudny do kontrolowania w praktyce.
A. Denitryfikacja wymaga braku tlenu cząsteczkowego, aby umożliwić bakteriom denitryfikacyjnym wykorzystanie tlenu jonowego zawartego w azotanach i azotynach do rozkładu materii organicznej. Jak wspomniano wcześniej, systemy biologiczne o wysokim stężeniu osadu mogą odpowiednio redukować rozpuszczony tlen (DO) podczas nitryfikacji, zachowując jednocześnie wydajność nitryfikacji. Dlatego też obniżenie DO na końcu nitryfikacji skutecznie zmniejsza zawartość DO przenoszonego w cieczy powrotnej azotanów, zmniejszając wpływ tlenu cząsteczkowego na proces denitryfikacji w strefie beztlenowej i poprawiając zdolność bakterii denitryfikacyjnych do wykorzystania źródeł węgla.
Jednocześnie wysokie stężenia osadów skutkują również stosunkowo dużą endogenną metaboliczną wydolnością tlenową, dodatkowo zużywając rozpuszczony tlen w strefach powrotnych i beztlenowych. Ponadto bardzo wysokie stężenia osadu zmieniają lepkość zmieszanej cieczy, zwiększając opór dyfuzyjny, a tym samym zmniejszając DO przenoszony w cieczy powrotnej. W niektórych procesach oczyszczania wykorzystujących otwarte kanały jako kanały powrotne, może to zmniejszyć natlenienie wymagane dla przepływu powrotnego. Podsumowując, wysokie stężenia osadu odgrywają znaczącą rolę w redukcji DO na etapie denitryfikacji w rzeczywistym działaniu procesu.
B. Ponieważ bakterie denitryfikacyjne są heterotroficznymi bakteriami fakultatywnymi i występują w dużych ilościach w systemach oczyszczania ścieków, zwiększenie stężenia osadu w systemie może skutecznie zwiększyć stężenie bakterii denitryfikacyjnych. Szybkość denitryfikacji jest w dużej mierze niezależna od stężeń azotanów i azotynów, ale wykazuje reakcję pierwszego-rzędu ze stężeniem bakterii denitryfikacyjnych.
Dlatego w rzeczywistym działaniu procesu wysokie stężenia osadu mogą skrócić czas denitryfikacji i zmniejszyć efektywną objętość strefy beztlenowej. Biorąc pod uwagę stałą efektywną objętość w strefie beztlenowej, wysokie stężenia osadu pozwalają na lepsze wykorzystanie stosunkowo trudnej--degradacji materii organicznej w matrycy organicznej jako źródła węgla. Jest to szczególnie ważne w przypadku procesów usuwania azotu i fosforu, zwłaszcza gdy źródła węgla są niewystarczające.
C. Wysokie stężenia osadu skutkują stosunkowo większą średnicą kłaczków drobnoustrojów. Podczas nitryfikacji niski poziom rozpuszczonego tlenu prowadzi do mniejszego gradientu ciśnienia tlenu, co ułatwia tworzenie się środowisk beztlenowych w kłaczkach, sprzyjając w ten sposób denitryfikacji. Dlatego wysokie stężenia osadów mogą sprzyjać jednoczesnej denitryfikacji.
4. Wpływ zagęszczenia osadów na biologiczne usuwanie fosforu
Kluczem do biologicznego usuwania fosforu jest zwiększenie udziału bakterii-akumulujących polifosforany w systemie osadu czynnego, przy jednoczesnym promowaniu ich szybkiego wzrostu i rozmnażania podczas pracy systemu, przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiej zawartości fosforu w bakteriach akumulujących-polifosforany po odprowadzaniu.
Aby zwiększyć udział bakterii{{0}akumulujących polifosforany (PAC) w osadzie czynnym systemu, konieczne jest stworzenie bardziej sprzyjającego środowiska i warunków hydraulicznych dla ich wzrostu i rozmnażania. Oznacza to posiadanie dobrego środowiska beztlenowego i tlenowego w przebiegu procesu. Kontrolowanie czynników środowiskowych w strefie beztlenowej jest szczególnie ważne dla wzrostu i reprodukcji bakterii PAC oraz osiągnięcia usuwania fosforu. Wysokie stężenie osadu w strefie beztlenowej jest korzystniejsze dla bakterii PAC.
Skuteczność biologicznego usuwania fosforu jest ściśle powiązana z wiekiem osadu. Dopiero po pewnym wieku osadu (około 3 dni) można skutecznie usunąć nadmiar fosforu, osiągając funkcję usuwania fosforu. Biorąc pod uwagę stałą dopływającą zawiesinę (SS), ponieważ stężenie osadu jest wprost proporcjonalne do wieku osadu, im wyższe stężenie osadu poza pewien zakres, tym gorszy efekt usuwania fosforu.
A. Przy zachowaniu wieku osadu wystarczającego do skutecznego usuwania fosforu, zwiększenie stężenia osadu w strefie beztlenowej skutkuje odpowiednio większym stężeniem bakterii PAC. Zwiększa to ilość mikroorganizmów-wydzielających fosfor, co z kolei zwiększa ilość tlenowych mikroorganizmów-pochłaniających fosfor, zwiększając w ten sposób ogólny efekt usuwania fosforu w systemie.
B. W strefie beztlenowej bakterie gromadzące-polifosforany absorbują LKT i uwalniają fosfor. Jednocześnie, w warunkach wysokiego stężenia osadu, strefa beztlenowa może służyć jako sekcja zakwaszania beztlenowego w systemie, hydrolizując beztlenowo oporną na materię organiczną o wysokiej-molekularnej-masie organicznej. Energia uwalniana podczas uwalniania fosforu przez bakterie akumulujące-polifosforany może zostać wykorzystana do aktywnej absorpcji kwasu octowego, H+ itp., tworząc PHB i przechowując go w bakteriach. Sprzyja to procesowi zakwaszania materii organicznej, poprawia biodegradowalność ścieków i zwiększa ilość źródła węgla wykorzystywanego w reakcjach denitryfikacji w kolejnych procesach oczyszczania.