Sedymentacja

Oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego; Test TTC;

Zastosowanie osadu czynnego do usuwania domieszek z wody opiera się na

zdolności mikroorganizmów do utylizacji nie tylko substratów, które są dla nich

optymalne, lecz także ogromnej liczby innych substancji, w tym syntetycznych,

wytworzonych przez ludzi w sposób sztuczny i dlatego nie występujących przedtem w

przyrodzie. Z powodu często zmieniającego się składu wód ściekowych, konieczne jest

wykorzystanie do ich oczyszczania kombinacji mikroorganizmów (bakterii,

wodorostów, pierwotniaków). Efektem tego jest konieczność adaptacji składu

drobnoustrojów do składu wody. Dlatego też w każdym konkretnym urządzeniu

oczyszczającym wykorzystywany jest osad czynny o określonym swoistym składzie.

Celem oczyszczania wód ściekowych jest usunięcie z nich zawiesiny,

rozpuszczalnych związków organicznych i nieorganicznych do uzyskania stężeń nie

przekraczających wartości uznanych jako dopuszczalne.

Zalety biologicznego oczyszczania wód:



możliwość usunięcia szerokiej gamy zanieczyszczeń organicznych i

nieorganicznych



samoregulacja układu do zmian składu i stężeń zanieczyszczeń organicznych



prostota aparatury i urządzeń



stosunkowo nieduże koszty eksploatacji

Wady:



duża objętość reaktorów połączona z małą wydajnością procesów



duża objętość osadników wtórnych związana z małą prędkością opadania

osadu



emisja zapachów, hałasu i aerozoli



duże nakłady inwestycyjne na budowę systemów oczyszczających



konieczność

ścisłego

przestrzegania

warunków

technologicznych

oczyszczania



toksyczność niektórych związków organicznych i nieorganicznych dla

biocenozy osadu czynnego



niekiedy konieczność wstępnego rozcieńczania ścieków

Wskaźniki aktywności osadu czynnego:

1. Pomiar aktywności dehydrogenaz - test TTC

Dehydrogenazy to enzymy z grupy oksydoreduktaz, które katalizują utlenianie substancji

organicznych. Enzymy te odłączają elektrony od substratu i łączą je z protonami.

Oddawanie elektronów na tlen następuje poprzez przenośniki elektronów np.: NAD,

NADP, flawoproteiny, ubichinon, cytochromy. Sumę wymienionych reakcji można

przedstawić za pomocą reakcji TTC. TTC (chlorek trifenylotetrazoliowy) jest związkiem

bezbarwnym. Jako akceptor wodoru redukuje się pod wpływem wodoru do

zabarwionego na czerwono trifenyloformazanu (TF). Intensywność zabarwienia jest

wprost proporcjonalna do ilości dehydrogenaz w osadzie czynnym. Wynik tego

oznaczenia pozostaje w ścisłej zależności do liczebności bakterii, wzrost TF w stosunku

do TOC i zmniejszenie TF w miarę wydłużania się wieku osadu czynnego, a także

zmianę aktywności dehydrogenaz w zależności od rodzaju oczyszczanych ścieków oraz

od obciążenia osadu. Obniżenie aktywności dehydrogenaz związane jest z toksycznym

wpływem oczyszczanych ścieków na osad czynny. Stężenie TF wynosi od 5-160



moli,

a najczęściej 30-70



moli/g s.m. osadu.

Osad czynny

Osad czynny to ciemno-brązowe kłaczki o wymiarach do kilkuset mikrometrów.

Składa się on w 70% z organizmów żywych i w ok. 30% ze stałych cząstek pochodzenia

nieorganicznego. Organizmy żywe wraz ze stałym nośnikiem do którego są

przytwierdzone tworzą zoogleje-symbiozę populacji organizmów pokrytą wspólną błoną

śluzową. Zoogleja może tworzyć się w wyniku flokulacji bądź adhezji komórek na

powierzchni nośnika. Podstawą wzajemnych oddziaływań w obrębie jednej zoogleji

stanowią wzajemne symbiotyczne powiązania organizmów różnych populacji.

Wzajemny stosunek kapsułkowych i bezkapsułkowych form komórek w osadzie

nazywany jest współczynnikiem zooglejności.

Drobnoustroje wyodrębnione z osadu należą do różnych rodzajów: Actinimyces,

Arthrobacter, Bacillus, Bacterium, Corynebacterium, Desulfotomaculum, Paracoccus,

Pseudomonas, Sarcina i innych. Najliczniej reprezentowane są bakterie rodzaju

Pseudomonas. Bacterium i Bacillus.

W zależności od zmieniających się warunków zewnętrznych ta lub inna grupa

bakterii może okazać się dominująca, a pozostałe stają się satelitami podstawowej grupy.

Przy zmianie składu wód ściekowych może ulec zwiększeniu liczebność jednego z

gatunków mikroorganizmów, jednakże inne kultury pozostają w składzie biocenozy. Na

wzajemne stosunki między drobnoustrojami tworzącymi osad czynny wywierają wpływ

metabolity różnych grup: możliwe są oprócz symbiozy, czy antagonizmu także i

wzajemne oddziaływania na zasadzie amensalizmu, komensalizmu bądź neutralizmu.

Na tworzenie się cenoz osadu czynnego mogą wpływać sezonowe wahania

temperatury (prowadzące do dominacji psychrofilnych drobnoustrojów w okresie

zimowym), stopień wysycenia tlenem, skład ścieków i inne. Wymienione czynniki

powodują, że proces tworzenia osadu jest dość skomplikowany, długotrwały i

praktycznie nieodtwarzalny: nawet w przypadku ścieków mających taki sam skład, ale

powstających w różnych rejonach, nie jest możliwe uzyskanie jednakowych biocenoz

osadu czynnego.

Proces tworzenia kłaczków osadu czynnego można przedstawić jako reakcję

chemiczną zachodzącą na styku powierzchni dwóch bakterii zooglealnych .Prekursor

kwasu PHB ma dwie aktywne grupy karbonylowe, z których jedna (przy pierwszym

węglu) wykazuje tendencję do przekształcania się w grupę karboksylową. Pozwala to

na łatwe tworzenie łańcuchów przestrzennych polimeru. Tylko część cząstek osadu

czynnego występuje w postaci kłaczków i to różnej wielkości..

Zasiedlanie urządzeń oczyszczających, działających na otwartej przestrzeni,

odbywa się w sposób ciągły. Mikroflora występująca w wodzie, powietrzu i w glebie po

przeniknięciu do urządzeń oczyszczających, włącza się do konkurencyjnej walki o

substrat i współzawodniczy z przedstawicielami znajdujących się tam innych form

drobnoustrojów. W pierwszej kolejności nagromadzają się organizmy zdolne do

utylizacji danego związku organicznego lub kilku związków organicznych z większą

szybkością i przy niższym stężeniu. Szczególną rolę odgrywa w tym przypadku zdolność

grupy drobnoustrojów do tworzenia populacji mieszanych, połączonych wspólną

otoczką. W toku pracy urządzeń oczyszczających nagromadzają się organizmy, które są

zawracane z wtórnych osadników do komór napowietrzania. Adaptacja osadu czynnego

zachodzi w sposób ciągły, pojawiają się coraz to nowe formy drobnoustrojów, zdolne do

utylizacji danej gamy zanieczyszczeń

W przypadku, kiedy w oczyszczanych wodach występuje zaledwie kilka

składników organicznych, wyjściowy osad czynny można ukształtować w warunkach

laboratoryjnych Jednakże utworzona w ten sposób biocenoza składająca się z niewielkiej

liczby gatunków jest mało stabilna w warunkach naturalnych i służy tylko jako

początkowe ogniwo w procesie powstawania naturalnej biocenozy urządzeń

oczyszczających. Do tworzenia naturalnych biocenoz oczyszczających można

wykorzystać osad czynny z urządzeń oczyszczających pracujących z analogicznym

wachlarzem zanieczyszczeń.

Istotną rolę w tworzeniu i funkcjonowaniu zbiorowiska komórek osadu

czynnego spełniają pierwotniaki. Niektóre z nich biorą udziału w przyswajaniu

substancji organicznych, regulują gatunkowy i populacyjny skład drobnoustrojów osadu

czynnego, utrzymując go na optymalnym poziomie, klarują odpływ ścieków przez

pożeranie wolno pływających bakterii, są wskaźnikiem jakości pracy osadu czynnego

(jego natlenienia, czy obciążenia osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń).

Pierwotniaki pochłaniając wielką liczbę bakterii sprzyjają wydzielaniu znacznych ilości

enzymów bakteryjnych, które mogą nagromadzać się w błonie śluzowej i brać udział

rozkładzie zanieczyszczeń.

Pierwotniaki wybierają z mieszanej kultury bakterii gatunki, które są dla nich

przyswajalne. Trawienie starych, osłabionych form ułatwia rozmnażanie pozostałych i

powoduje powstawanie ogromnej ilości młodych, biologicznie aktywnych osobników. W

osadach czynnych wysokiej jakości na 1 mln bakterii przypada 10-15 organizmów

pierwotniaków; stosunek ten nazywany jest współczynnikiem protozojności. Szybkość

biologicznego rozkładu zanieczyszczeń wzrasta wraz ze zwiększeniem współczynnika

zooglejności i protozojności. Należy podkreślić, że pierwotniaki są bardzo wrażliwe na

występowanie w wodach ściekowych niewielkiej ilości określonych związków

organicznych np. fenolu, formaldehydu i innych. W przeciwieństwie do systemów

oczyszczania pracujących w oparciu o błonę biologiczną systemy pracujące w oparciu o

osad czynny charakteryzują się jednakowym w cały systemie oczyszczania składem i

jakościowym ilościowym.

Czynniki wpływające na pracę osadu czynnego

Skutecznie sterować procesem oczyszczania biologicznego można jedynie

poprzez prawidłowy dobór parametrów procesu. Podstawowymi parametrami

wpływającymi na oczyszczanie biologiczne są: temperatura, pH, stężenie

rozpuszczonego tlenu, intensywność mieszania, stężenie i wiek osadu czynnego,

obecności toksycznych domieszek w wodzie.

Temperatura.

Większość urządzeń oczyszczających z napowietrzaniem funkcjonuje na

otwartej przestrzeni i nie posiada układu regulacji temperatury. Zmiany temperatury

następują w nich cyklicznie, w zależności od pory roku i warunków klimatycznych

temperatura w nich może się wahać się od 2-5 do 25-35



C. Wahania te wpływają na

skład biocenozy, przy czym wraz z obniżeniem temperatury do 10-15



C zachodzi w

głównej mierze rozwój psychrofilnych form drobnoustrojów. Wraz z obniżeniem

temperatury zmniejsza się nie tylko szybkość oczyszczania, lecz również spada zdolność

mikroorganizmów do flokulacji, co powoduje wypłukiwanie osadu czynnego z

osadników wtórnych. Dlatego też w czasie zimy konieczne staje się wydłużenie czasu

przebywania wód ściekowych w układzie oczyszczania.

W temperaturze od 20-37



C rozwijają się głównie mezo- i termofile, zwiększa

się również stopień oczyszczania (następuje intensyfikacja procesów). Jednakże zbyt

wysoka temperatura powoduje zmniejszenie rozpuszczalności tlenu w wodzie, co

zmusza do zwiększenia napowietrzania.

2.Odczyn.

Bakterie najlepiej rozwijają się w środowisku obojętnym lub lekko alkalicznym,

natomiast dla większości grzybów optymalna wartość pH wynosi 5,0-6,5. Ponieważ w

osadzie czynnym występują głównie bakterie, to odpowiednia -wartość pH wody

powinna być zbliżona do optymalnej dla tej grupy organizmów. Za najbardziej

optymalną wartość uważany jest zakres od 6,5-8,5; odstępstwa od tego zakresu

powodują gwałtowne obniżenie efektywności oczyszczania.

3.Stężenia rozpuszczonego tlenu.

Szybkość rozpuszczania tlenu w wodach ściekowych nie powinna być mniejsza

od szybkości jego zużywania przez mikroorganizmy osadu czynnego. Zmniejszenie

stężenia rozpuszczonego tlenu poniżej pewnej określonej wartości powoduje obniżenie

szybkości wzrostu osadu i w konsekwencji spadek szybkości oczyszczania.

Niedostateczne natlenienie powoduje także nagromadzenie produktów metabolizmu

drobnoustrojów. Jednocześnie w tym przypadku mogą rozwijać się i nagromadzać w

osadzie czynnym nitkowate formy bakterii Sphaerotilus natans, których nadmierny

rozwój powoduje pogorszenie sedymentacji osadu czynnego we wtórnym osadniku oraz

jego odpływ z układu, tj. prowadzi do zmniejszenia ogólnej ilości osadu czynnego w

urządzeniach oczyszczających.

4.Mieszanie wód ściekowych i osadu czynnego w komorach napowietrzania.

Proces ten umożliwia otrzymanie osadu czynnego, w postaci zawiesiny, co

umożliwia dobrą wymianę masy - głównie składników pożywki i tlenu. Intensyfikacja

mieszania (do pewnych granic) prowadzi do rozbijania zbyt dużych kłaczków osadu

czynnego na mniejsze, co niewątpliwie przyczynia się do zwiększenia powierzchni

wymiany, a jednocześnie, co należy zaznaczyć nie pogarsza właściwości

sedymentacyjnych osadu.

6. Ilość i wiek osadu.

W zwykłych urządzeniach oczyszczających ilość osadu nie przekracza 2-6 g/l.

Zwiększenie stężenia osadu czynnego powoduje zwiększenie szybkości oczyszczania,

ale

wymaga

równocześnie

intensywniejszego

napowietrzania. Zapewnienie

zwiększonego stężenia osadu czynnego jest możliwe dzięki częściowemu zawracaniu go

z osadników wtórnych. Pod terminem wieku osadu czynnego T rozumie się czas jego

recyrkulacji w układzie oczyszczającym.

Zmniejszenie średniego wieku osadu czynnego powoduje zwiększenie

efektywności oczyszczania; „młody” osad czynny jest bardziej pulchny, jego kłaczki

mają mniejsze wymiary i zawiera on mniej pierwotniaków, a jednocześnie

charakteryzuje się on lepszymi właściwościami sedymentacyjnymi.

Techniczna realizacja metod tlenowego oczyszczania.

Schemat tlenowego oczyszczania ścieków. 1-dopływ ścieków oczyszczonych mechanicznie

Aerobowy sposób oczyszczania polega na wykorzystaniu układu urządzeń,

złożonego z komory napowietrzania, osadnika wtórnego i regeneratora osadu czynnego.

Komora napowietrzania jest otwartym urządzeniem przez które przepuszcza się

wody ściekowe wraz z osadem czynnym. W zależności od sposobu mieszania i

hydrodynamicznych warunków przemieszczania się zawiesiny osadu czynnego wyróżnia

się następujące rozwiązania technologiczne:

a) komory o ograniczonym mieszaniu - gdzie świeża porcja osadu czynnego

podawana są jednocześnie do aparatu, a następnie odbywa się ruch osadu

czynnego wzdłuż aparatu.

b) komory pełnego mieszania - osad czynny i wody ściekowe wchodzą do

aparatu jednocześnie na całej jego długości i w aparacie powstają warunki

pełnego mieszania, przy czym równocześnie z aparatu odprowadzana jest

zawiesina osadu czynnego.

c) komory kombinowane - na różnych etapach oczyszczania istnieją warunki

charakterystyczne zarówno dla procesu pełnego wymieszania jak też dla

procesu wypierania.

Różnice hydrodynamiczne warunków komór napowietrzania wpływają na stan

fizjologiczny mikroorganizmów, a co za tym idzie na szybkość i stopień utylizacji

ścieków. W komorze o ograniczonym mieszaniu każda porcja zawiesiny miesza się tylko

w niewielkim stopniu z poprzednią i następną porcją, można zatem wydzielić

elementarną objętość osadu czynnego, która przemieszcza się w komorze z

ograniczonym mieszaniem. Ponieważ osad czynny stanowi złożony konglomerat

mikroorganizmów na każdym odcinku szybkość jego rozwoju oraz stan fizjologiczny

będzie determinowane składem środowiska hodowlanego. Osad pochodzący z osadnika

wtórnego ma określony skład wyjściowy populacji; początkowo, po zetknięciu się z

oczyszczoną wodą, rozwijają się drobnoustroje, które utylizują najłatwiej przyswajalne

składniki zanieczyszczeń. Konsekwencją tego jest zmniejszenie zanieczyszczeń w

wodach ściekowych z równoczesnym zwiększeniem liczby odpowiednich komórek w

osadzie czynnym. Pozostałe mikroorganizmy pozostają w lag-fazie, lub też utylizują

substrat, lecz z mniejszą szybkością. Po wykorzystaniu łatwo przyswajalnych substratów

rozpoczyna się utylizacja innych. Pierwsza grupa przechodzi z fazy rozwoju

wykładniczego do stacjonarnego. Pierwszeństwo w rozwoju uzyskują inne grupy

mikroorganizmów. W przypadku zmniejszenia stężenia wszystkich składników wód

ściekowych do minimalnego poziomu - gatunkowy i ilościowy skład osadu czynnego

wraca do stanu początkowego. Zaletą tego układu jest to, że pozwala on (przy określonej

długotrwałości) na usunięcie większości zanieczyszczeń z wód ściekowych. Wadę zaś

stanowi to, że osad czynny w początkowej fazie styka się z wodami ściekowymi

zawierającymi maksymalną liczbę zanieczyszczeń organicznych. Dlatego też zasadnym

jest stosowanie dla tego układu wód ściekowych o niewielkich początkowych stężeniach

zanieczyszczeń. Z tego też powodu system ten jest niezmiernie wrażliwy na gwałtowne

wahanie stężenia początkowego.

Wad tych nie posiada komora pełnego napowietrzania, ponieważ wchodzące

ścieki rozprzestrzeniają się w całej objętości. W tym przypadku osad czynny nie podlega

inhibicji

pod

wpływem

zwiększonych

stężeń

zanieczyszczeń.

Wszystkie

mikroorganizmy występujące w komorze pełnego mieszania, pracującej w stabilnych

warunkach, znajdują się w fazie ograniczonego wzrostu.

W komorach kombinowanych, w pierwszej strefie aparatu, gdzie następuje

kontakt wód ściekowych o dużym stężeniu zanieczyszczeń z osadem czynnym dąży się

do stworzenia warunków zbliżonych do pełnego wymieszania. W drugiej zaś - w celu

uzyskania większego stopnia eliminacji zanieczyszczeń, warunków zbliżonych do

warunków idealnego wypierania.

Oczyszczona woda i osad czynny z komory napowietrzania kierowane są do

osadnika wtórnego, w którym następuje oddzielenie osadu czynnego od wody. Część

osadu jest ponownie zawracana do komory napowietrzania. Flokulacja osadu czynnego

zmniejsza wprawdzie powierzchnię aktywną, ale jest konieczna, gdyż duża dyspersja

kłaczków lub występowanie bakterii pojedynczych uniemożliwia sedymentację

drobnoustrojów i oddzielenie ich od ścieków. Osad, który obok kłaczków zawiera dużą

liczbę pojedynczych, wolnopływających komórek daje po oddzieleniu w osadniku

wtórnym, mętny odpływ ścieków i wprowadza do odbiornika duży ładunek materii

organicznej w postaci biomasy mikroorganizmów.

Efektywność procesu osadu czynnego zależy w znacznym stopniu od jego właściwości

sedymentacyjnych.

Opis opadania zawiesin kłaczkowatych jest bardzo złożony. Wynika to z

powiązań cząstka-ciecz, oraz zmian objętości (masy) i kształtu opadających zawiesin

kłaczkowatych.

Wzrost wielkości cząstek ograniczony jest łamliwością kłaczka, który po

osiągnięciu krytycznej wielkości maże rozpadać się na cząstki mniejsze. Opisy

teoretyczne opadania zawiesin kłaczkowatych obrazują zjawisko w sposób przybliżony.

W celu określenia parametrów sedymentacji zawiesin kłaczkowatych o nieznanej

gęstości, wielkości i charakterze wymagane są badania laboratoryjne, na podstawie

których można sporządzić krzywą opadania zawiesin.

Zawrócony osad czynny trafia do regeneratora osadu czynnego, który stanowi

część komory napowietrzania, do której doprowadzony jest osad czynny, a nie są

doprowadzane ścieki. Intensywne napowietrzanie powoduje przywrócenie zdolności

pochłaniania domieszek organicznych przez organizmy tworzące osad czynny. Zwykle

wielkość regeneratora nie przekracza jednej trzeciej wielkości urządzenia

podstawowego.