Zrozumienie osadu czynnego (I) – pochodzenie, struktura, społeczność drobnoustrojów i wskaźniki wydajności

Wprowadzenie: Dziś poznajmy bohatera oczyszczania biologicznego – osad czynny (nośnik różnych mikroorganizmów). Odgrywa kluczową rolę w biologicznych procesach oczyszczania, usuwając zanieczyszczenia, takie jak ChZT, azot amonowy, azot całkowity i fosfor całkowity ze ścieków za pośrednictwem różnych mikroorganizmów znajdujących się w osadzie. Osoby odwiedzające oczyszczalnie ścieków mogą wyczuć delikatny zapach błota; to jest zapach osadu czynnego!

Osad czynny został po raz pierwszy odkryty w 1912 roku przez Clarka i Gage'a w Wielkiej Brytanii w wyniku małego eksperymentu. W eksperymencie długotrwałe napowietrzanie ścieków spowodowało wytworzenie osadu, a jakość wody znacznie się poprawiła. Arden i Lockgtt następnie badali to zjawisko.

Doświadczenia napowietrzania przeprowadzono w butelkach. Pod koniec każdego dnia doświadczenia butelki opróżniano i proces rozpoczynał się od nowa następnego dnia. Przypadkowo odkryli, że ponieważ butelki nie zostały dokładnie oczyszczone, efekt oczyszczania był w rzeczywistości lepszy, gdy osad przylegał do ścianek butelek. Uznając znaczenie osadu pozostawionego na ściankach butelek, nazwali go osadem czynnym.

Następnie, przed zakończeniem każdego dnia doświadczenia, pozostawiano napowietrzone ścieki do osadzenia, odrzucając jedynie górną warstwę oczyszczonej wody i pozostawiając osad na dnie do wykorzystania następnego dnia. Znacząco skróciło to czas oczyszczania ścieków.

W 1916 r. zbudowano pierwszą oczyszczalnię ścieków z osadem czynnym, stosując tę ​​eksperymentalną metodę.

Osad czynny jest substancją kłaczkowatą utworzoną przez mieszaninę zbiorowisk drobnoustrojów, takich jak bakterie, grzyby, pierwotniaki i metazoa, z substancjami zawieszonymi i koloidalnymi w ściekach. Ma silną zdolność adsorbowania i rozkładu materii organicznej, dobre właściwości sedymentacyjne oraz aktywność biochemiczną.

Ważnymi składnikami osadu czynnego są kłaczki i bakterie nitkowate.

Kłaczki powstają w wyniku agregacji bakterii ze śluzem lub kapsułkami. Adsorbują zanieczyszczenia i wolne mikroorganizmy w ściekach, nadając osadowi czynnemu doskonałe właściwości sedymentacyjne i chroniąc mikroorganizmy znajdujące się w ściekach przed połknięciem lub zatruciem.

Bakterie nitkowate tworzą szkielet osadu czynnego. Rosną i wydłużają się pod wpływem kłaczków, powodując, że kłaczki tworzą większe cząstki, zachowując jednocześnie luźność osadu czynnego.

Z wyglądu osad czynny jest zazwyczaj żółty lub brązowawo-żółty. Staje się czarny, gdy dopływ tlenu jest niewystarczający lub występuje w warunkach beztlenowych, i szarawy-biały, gdy dopływ tlenu jest nadmierny, a składniki odżywcze niewystarczające. Osad czynny charakteryzuje się dużą zawartością wody, na ogół powyżej 99%, a jego gęstość jest zbliżona do wody, typowo 1,002–1,003 kg/l.

W mikroorganizmach osadu czynnego pierwotniaki żywią się bakteriami, natomiast metazoa żywią się zarówno pierwotniakami, jak i bakteriami, tworząc łańcuch pokarmowy i zrównoważoną społeczność biologiczną. Aktywne bakterie osadu często występują w postaci kłaczków, a mniej występuje w stanie wolnym. Daje to bakteriom zdolność przeciwstawiania się niekorzystnym czynnikom zewnętrznym. Wolne bakterie nie są łatwo osadzane, ale mogą być żerowane przez pierwotniaki, dzięki czemu ścieki z osadnika są czystsze.

1. Bakterie

Bakterie to organizmy jedno-komórkowe. Są one różnorodne, liczne i mają niewielkie rozmiary w obrębie osadu czynnego, posiadają silną zdolność do adsorbowania i rozkładu materii organicznej, odgrywając kluczową rolę w oczyszczaniu ścieków.

Na wczesnych etapach uprawy osadu czynnego bakterie w ściekach są w dużej mierze wolne. W miarę stopniowego tworzenia się osadu stopniowo łączą się one w większe grupy.

(1) Kłaczki: Są to maleńkie, widoczne cząsteczki składające się z bakterii i wydzielanych przez nie galaretowatych substancji. Większość bakterii w osadzie czynnym jest otoczona substancjami galaretowatymi, występującymi w postaci kłaczków. Kłaczki stanowią strukturalne i funkcjonalne centrum osadu czynnego, posiadające takie właściwości, jak adsorpcja, rozkład oksydacyjny i sedymentacja koagulacyjna.

(2) Bakterie nitkowate: Jest to rodzaj bakterii, których komórki, z kapsydami lub bez, są ze sobą połączone, tworząc włókna. Bakterie nitkowate często przyczepiają się do kłaczków bakteryjnych i przeplatają się z nimi, tworząc szkielet osadu zanieczyszczającego. Jednakże, gdy rozmnażają się w dużych ilościach, mogą pogorszyć właściwości flokulacyjne i sedymentacyjne osadu czynnego, a w ciężkich przypadkach spowodować pęcznienie osadu.

(3) Bakterie nitryfikacyjne Bakterie nitryfikacyjne to rodzaj bakterii autotroficznych, które mogą rozkładać amoniak i azotyny. Obejmują dwie podgrupy fizjologiczne: *Bakterie Nitryfikacyjne* i *Bakterie Nitryfikacyjne*, które należą do niezależnej rodziny-Rodziny Bakterii Nitryfikacyjnych. Bakterie nitryfikacyjne pozyskują energię na potrzeby metaboliczne poprzez utlenianie związków nieorganicznych poprzez nitryfikację, wykorzystując CO2 jako jedyne źródło węgla. Są typowymi bakteriami chemoautotroficznymi. Bakterie nitryfikacyjne posiadają zdolność nitryfikacji, która odnosi się do procesu, w którym bakterie nitryfikacyjne utleniają NH3 do NO2- w warunkach tlenowych, a następnie utleniają je do NO3-, uzyskując w ten sposób energię potrzebną do wzrostu. Pierwszy etap, utlenianie NH3 do NO2-, nazywany jest nitryfikacją lub utlenianiem amoniaku i jest zakończony przez bakterie nitryfikacyjne; drugi etap, utlenianie NO2- do NO3-, nazywany jest nitryfikacją i jest zakończony przez bakterie nitryfikacyjne. Dlatego powszechnie omawiana nitryfikacja obejmuje w rzeczywistości dwa etapy: nitryfikację przez bakterie utleniające azotyny i nitryfikację przez bakterie nitryfikacyjne.

(4) Bakterie denitryfikacyjne: Bakterie denitryfikacyjne to bakterie chemoheterotroficzne. W warunkach niedoboru tlenu-redukują azotany do azotynów, a następnie redukują azotyny do gazowego azotu, uzyskując w ten sposób energię. Jest to zasadniczo odwrotność funkcji bakterii nitryfikacyjnych (przyroda jest pod tym względem interesująca; cykl azotowy osiągają dwa różne typy bakterii). Bakterie denitryfikacyjne są szeroko rozpowszechnione w glebie i ściekach, odgrywając główną rolę w oczyszczaniu wody krajobrazowej, zarządzaniu rzekami miejskimi i oczyszczaniu akwakultury.

(5) Hydrolityczne bakterie zakwaszające: Są to bakterie, które potrafią wykorzystywać duże, złożone cząsteczki organiczne do czynności życiowych w środowiskach beztlenowych. Hydroliza to proces, w którym złożone, nierozpuszczalne polimery przekształcają się w proste rozpuszczalne monomery lub dimery. Ze względu na dużą względną masę cząsteczkową materia organiczna o-masie-o dużej masie cząsteczkowej nie może przejść przez błony komórkowe i dlatego nie może być bezpośrednio wykorzystana przez bakterie. Najpierw są przekształcane w mniejsze cząsteczki w wyniku hydrolitycznego działania bakteryjnych enzymów zewnątrzkomórkowych. Najbardziej typową cechą tego etapu jest to, że reakcja biologiczna zachodzi zewnątrzkomórkowo. Bakterie kończą biokatalityczne reakcje utleniania, uwalniając zewnątrzkomórkowe wolne enzymy lub unieruchomione enzymy przyczepione do ściany komórkowej.

I tak dalej... istnieje wiele rodzajów bakterii, więc na tym się zatrzymam. Szczegółowe wprowadzenie poszczególnych gatunków bakterii można przedstawić później.

2. Pierwotniaki

Pierwotniaki to małe, proste,-jednokomórkowe-zwierzęta niskiego poziomu. W osadzie czynnym z oczyszczania ścieków występuje duża liczba pierwotniaków. Uczestniczą w oczyszczaniu ścieków poprzez wchłanianie cząstek organicznych. Co więcej, ponieważ pierwotniaki są wrażliwe na warunki środowiskowe, ich skład i ilość zmieniają się wraz ze zmianami środowiska; dlatego często wykorzystuje się je jako organizmy wskaźnikowe. Typowe przykłady obejmują wirówki, ameby, wiciowce i pływające orzęski. Mikroorganizmy te stanowią ponad 80% całości. Jeżeli liczba osobników przekracza 1000/mL, należy go uznać za osad czynny o wysokiej skuteczności oczyszczania.

3. Mikrometazoa

Głównymi mikrometazoa w osadzie czynnym są wrotki i nicienie. Generalnie liczba mikroskopijnych metazoanów w osadzie czynnym jest stosunkowo niewielka. Jednakże w osadzie czynnym o niskim- ładunku, szczególnie w osadzie czynnym z przedłużonym napowietrzaniem, gatunkami dominującymi mogą czasami stać się wrotki i skąposzczety.

04 Wskaźniki wydajności osadu czynnego Społeczność drobnoustrojów obejmuje głównie bakterie, pierwotniaki i metazoa, przy czym bakterie i pierwotniaki to dwie główne kategorie. Wskaźniki wydajności osadu czynnego obejmują: zawiesinę mieszanych cieczy (MLSS), stopień osadzania osadu (SV), wskaźnik objętości osadu (SVI) i wskaźnik gęstości osadu (SDI).

Mieszana zawiesina cieczy (MLSS) oznacza całkowitą masę substancji stałych osadu czynnego zawartych w jednostkowej objętości zmieszanej cieczy w zbiorniku napowietrzającym, tj.:

MLSS=Mam + Ja + Mi + Mii

Ma – Aktywna metabolicznie społeczność drobnoustrojów;

Ja – Pozostałości endogennego metabolizmu i samo-utleniania mikroorganizmów (głównie bakterii);

Mi – Inertna materia organiczna, trudna do rozkładu przez bakterie, przenoszona przez ścieki surowe;

Mii – Materia nieorganiczna przenoszona przez ścieki.

Jednostką jest mg/L lub kg/m3.

Mieszane lotne zawiesiny substancji stałych (MLVSS) oznaczają stężenie organicznych substancji stałych w osadzie czynnym zmieszanej cieczy, tj.:

MLVSS=Mama + Ja + Mi

Stosunek MLVSS do MLSS wyraża się jako f. W normalnych warunkach wartość f jest stosunkowo stała i wynosi około 0,75 dla ścieków bytowych.

Zarówno MLVSS, jak i MLSS można zastosować do odzwierciedlenia stężenia osadów w zbiornikach do biologicznego oczyszczania. Codzienne porównania danych mogą ujawnić wzrost osadu czynnego. MLVSS wyklucza jednak materię nieorganiczną, przybliżając jej wartość do rzeczywistej liczby mikroorganizmów.

Prędkość osadzania osadu (SV), znana również jako 30-minutowa szybkość osadzania, to procent objętości wytrąconego osadu powstałego po osadzeniu się zmieszanej cieczy w cylindrze miarowym przez 30 minut, wyrażona w procentach (%).

Na wczesnych etapach uprawy osadu czynnego prędkość osadzania można wykorzystać do wstępnej obserwacji wzrostu osadu. Ogólnie rzecz biorąc, normalna, stabilna wartość SV osadu czynnego wynosi 20-35%. Niższa SV wskazuje na niewystarczające stężenie osadu, podczas gdy wyższa SV wskazuje na zbyt szybki wzrost osadu (nadmierna ilość składników odżywczych, prawdopodobnie z powodu nadmiernego źródła węgla).

Wskaźnik objętości osadu (SVI), znany również jako wskaźnik osadu, to objętość osiadłego osadu (w ml) na gram suchego osadu po 30 minutach osadzania się w zmieszanej cieczy na wylocie zbiornika napowietrzającego. Wzór na obliczenie wskaźnika objętości osadu jest następujący:

SVI=SV/MLSS

SVI służy do oceny wydajności osadu, a jego normalny zakres wynosi zazwyczaj od 70 do 150 ml/g. Niska wartość SVI wskazuje na niską aktywność osadu i wysoką zawartość substancji nieorganicznych; wysoka wartość SVI wskazuje na potencjalne pęcznienie osadu i słabą wydajność osadzania.

Wskaźnik gęstości osadu (SDI), powszechnie nazywany gęstością, jest odwrotnością SVI.