Biologiczne metody oczyszczania ścieków

Osad czynny

• Proces tzw. osadu czynnego polega na oczyszczaniu ścieków przez

zawiesinę bakterii wolno unoszoną, stale zawieszoną w cieczy.

• Oczyszczanie ścieków osadem czynnym polega na mineralizacji

związków organicznych przeprowadzanej głównie przez bakterie,

na drodze tych samych procesów biochemicznych, które zachodzą

podczas samooczyszczania

• Metoda osadu czynnego wymaga dostarczenia tlenu, substratu

niezbędnego do bioutlenienia zanieczyszczeń organicznych.

• Ilość tlenu zapewniająca bakteriom odpowiednie warunki tlenowe

powinna wynosić > 0,5 mg O

/dm

We wszystkich metodach biologicznego
oczyszczania ścieków zachodzą
następujące procesy:

• rozkład substancji organicznych do CO

, H

O i NH

• nitryfikacja, czyli utlenienie NH

za pomocą bakterii Nitrosomonas

do azotynów,
a następnie za pomocą bakterii Nitrobacter do azotanów,

• denitryfikacja, czyli przemiana azotanów do postaci azotu

gazowego - N

Flokulacja

• Osad czynny to kłaczkowata zawiesina wytwarzająca się podczas

napowietrzania ścieków.

• Polega on na wytworzeniu w objętości ścieków kłaczków o wymiarach

50-100 m o bardzo silnie rozwiniętej powierzchni.

• Kłaczki pozostawione w bezruchu łatwo sedymentują i umożliwiają w

ten sposób oddzielenie biomasy osadu czynnego od ścieków

oczyszczonych

• Kłaczki składają się z heterotroficznych bakterii zlepionych śluzem

(flokulacja), które utrzymywane są w ciągłym ruchu dzięki mieszaniu

przez doprowadzane powietrze.

• Kłaczki te adsorbują zawarte w ściekach zanieczyszczenia, a

mikroorganizmy znajdujące się w kłaczkach rozkładają zaadsorbowane

substancje.

Flokulacja - kłaczkowanie

• Kłaczkowanie jest procesem złożonym

powodowanym działalnością drobnoustrojów, ich

właściwościami fizjologicznymi oraz czynnikami

środowiskowymi

• Dla procesu kłaczkowania istotne znaczenie mają

takie właściwości bakterii jak:

– Adhezja - tendencja do adsorpcji bakterii na granicy faz (

ciało stałe-ciecz, ciecz – gaz)

– Tworzenie agregatów – właściwa flokulacja

Mechanizm adhezji:

• Wytwarzanie enzymów hydrolitycznych – enzymy

pozakomórkowe koncentrują się na powierzchni

błony komórkowej, dochodzi do silnego

związania bakterii z substratem

• Wyrostki cytoplazmatyczne – fimbrie – budowa

rurkowata, maja swoista adhezję do grzybni,

komórek roślinnych, cząstek mineralnych,

koloidów, innych bakterii.

Tworzenie agregatów

• Podstawowa role spełniają otoczki i śluzy

powierzchniowe u bakterii – elektroujemne

• Są lepkie i hydrofilne

• Dzięki ładunkowi elektrycznemu na powierzchni

komórek bakterie reagują ze sobą oraz z

koloidami, kationami i anionami

• Gatunkiem który wydziela śluz wyjątkowo obficie

jest Zooglea ramigera ( 50% suchej masy komórki

stanowi kwas poli-β-hydroksymasłowy)

Rola zwierząt we flokulacji

• Orzęski i wrotki wydzielają przez otwór gębowy

śluz zlepiający bakterie i drobne zawieszone

cząstki organiczne dając początek mikrokłaczkom.

Orzęsek osiadły z
rodzaju
Opercularia
pobierający pokarm

deflokulacja

• W ekosystemach zawierających bakterie występuje

określona kolejność zjawisk:

– Adhezja
– Flokulacja
– Wyczerpywanie składników pokarmowych
– Rozpad agregatów

• W osadzie czynnym steruje się procesem i nie

dopuszcza do deflokulacji.

• Przyczyny deflokulacji:

– Zbyt wysokie obciążenie – mało bakterii, krótki czas

napowietrzania uniemożliwiający utlenienie substratów

– Zbyt niskie obciążenie – niedostatek pokarmu, autoliza

komórek, zmniejszenie biomasy osadu.

Biocenoza osadu czynnego

• Skład gatunkowy mikroflory w osadzie czynnym jest

bardzo różny, ulega stałym zmianom a zależy głównie

od rodzaju ścieków.

• Składa się głównie bakterii heterotroficznych, a tylko

w niewielkim procencie- i tylko w pewnych układach

i warunkach – występują bakterie chemolitotroficzne,

zwłaszcza bakterie nitryfikacyjne.

• Ponadto w skład biocenozy osadu wchodzą: grzyby,

pierwotniaki i zwierzęta bezkręgowe.

Biocenoza osadu czynnego -
bakterie

• Dobór bakterii odbywa się na drodze naturalnej.

Czynnikiem selekcjonującym i kształtującym

zróżnicowany jakościowo zespół bakterii, są warunki

w komorze napowietrzania, zwłaszcza skład

chemiczny ścieków, odczyn i warunki tlenowe.

• Najczęściej spotykanymi gatunkami

heterotroficznych bakterii są: Zooglea ramigera,

Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas putida oraz

bakterie z rodzaju Achromobacter, Bacillus,

Flavobacterium i Alcaligenes.

– Ścieki bytowo-gospodarcze - Achromobacter,Pseudomonas,

Proteus, Flavobacterium i Alcaligenes

– Ścieki zawierające duże ilości białka – Alcaligenes,

Flavobacterium, Bacillus

– Ścieki bogate w węglowodany - Pseudomanas

Biocenoza

• Bakterie chemolitotroficzne:

– Nitryfikacyjne: Nitrosomonas, Nitrobacter
– Siarkowe: Thiotrix, Beggiatoa

• Grzyby – heterotrofy, pH = 3,2 – 9,6, głównie

mezofile (zakres 1-33

C), w osadzie czynnym

pojawiają się w warunkach niskiego pH,

niedotlenienia, nadmiaru węglowodanów

pierwotniaki

• Uczestniczą we flokulacji

• Są wskaźnikiem dobrej pracy osadu

• Niektóre aktywnie usuwają zanieczyszczenia

• Pierwotniaki odżywiają się komórkami

bakteryjnymi, zmuszają je do szybkiego

rozmnażania, przez co staja się czynnikiem

odmładzającym i uaktywniającym osad czynny.

• Klarują odpływ ścieków przez pożeranie

wolnopływających bakterii

• W osadzie występują:

– Wiciowce,

– Orzęski

– Korzenionóżki

Pierwotniaki - Wiciowce

• Poruszają się za pomocą długich nici.

• Odżywiają heterotroficznie, rozpuszczonymi

związkami organicznymi, bakteriami i

jednokomórkowymi glonami.

• Żyją w wodach zanieczyszczonych i w osadzie

czynnym, może ich być do 30 tys./ml.

• Są wskaźnikiem złej pracy osadu, nadmiernego

obciążenia, braku tlenu lub dopływu ścieków

zagniwających.

• Duże wiciowce (Euglena) występują w osadzie rzadko,

świadczą o niskim i średnim obciążeniu oraz dobrym

natlenieniu osadu

Korzenionóżki

• Poruszają się za pomocą wyrostków plazmatycznych

tzw. nibynóżek. Zmienny kształt ciała, niektóre

posiadają szkielecik lub skorupkę zewnętrzną.

• W osadzie dobrze funkcjonującym do 50 tys./ml.
• Duża ilość ameb wskazuje na niestabilna prace osadu
• Duże ameby oskorupione są wskaźnikiem niskiego

obciążenia, dobrego natlenienia i prawidłowego

przebiegu nitryfikacji.

Orzęski

• Odżywiają się związkami organicznymi,

bakteriami i glonami.

• Żyją w wodach zanieczyszczonych i w

osadzie czynnym.

• Jest ich około 89 gatunków. Wyróżniamy:

– wolnopływające (duże koncentracje bakterii),

– pełzające

– osiadłe
Liczebność – 10 tys./ml

ORZĘSKI

BZT

CHZT

UTLENIALNOŚĆ

AZOT

ZAWIESINA

MĘTNOŚĆ

LICZBA BAKTERII

pierwotniaki

• Do najczęściej występujących pierwotniaków

należą: Vorticella, Carchesium i Opercularia oraz

Anthophysa, Oxytricha, Stylonychia i Lionotus.

• Między liczebnością wiciowców i orzęsków w

osadzie czynnym istnieje odwrotna zależność.

Podczas gdy duża liczba wiciowców wskazuje

na przeciążenie osadu, to obecność, orzęsków

świadczy o prawidłowej pracy osadu czynnego.

Euplotes aediculatus. Komórka spłaszczona grzbietobrzusznie o
owalnym kształcie i długości od 105 do 165 µm. Pod
mikroskopem dobrze widoczny aparat gębowy i cirri, które
służą do poruszania się. W osadzie niezbyt częsty. Odżywia się

bakteriami i wiciowcami.

cirri

Aspidisca cicada (syn. A. costata)
Niewielki, (24-40 µm długości) orzęsek o owalnym kształcie i wyraźnie
grzbietobrzusznie spłaszczony. Podobnie jak Euplotes pełza szybko po
kłaczkach i cząstkach odżywiając się bakteriami, wiciowcami i
cząstkami organicznymi. Występuje często, a jej obecność wskazuje na

dobre natlenienie i niskie obciążenie osadu.

Vorticella convalaria potrafi skurczyć sie na styliku a nawet
oderwać się od stylika i swobodnie dryfować w poszukiwaniu

bakterii

Obecność tychże pierwotniaków wskazuje na osad

ustabilizowany i dobrze napowietrzony.

Aniceta tuberosa. Częsty w osadzie czynnym sysydlaczek o
wielkości od 25 do 200 µm. Rurki ssące zebrane w 2 skupienia

na przodzie komórki.

rurki ssące

Opercularia articulata
Pojedyncze zooidy mają wielkość (90-120 µm). „Dysk perystomalny”
charakterystycznie wysunięty i wciągany jak wieczko. Występuje w koloniach,
których grube styliki rozgałęziają się dychotomicznie i nie są kurczliwe. Gatunek
odporny na toksyczne ścieki.

Zwierzęta bezkręgowe

Wrotki:

• 2-3 tys./ml
• 52 gatunki
• Wskaźniki osadu ustabilizowanego, dobrze

natlenionego

• Odżywiają się bakteriami i cząstkami osadu
• Wydzielają śluz ułatwiający flokulacje i klarowanie

osadu

• Pojawiają się najliczniej przy spadku BZT

poniżej

93%.

Zwierzęta bezkręgowe

Nicienie

• Występują w małych ilościach, 130/ml

• Turbulencja osadu przeszkadza w biseksualnym

rozmnażaniu

• Więcej w osadzie recyrkulowanym

• Licznie w osadach 5 dniowych

• Rola:

– Pożeranie kłaczków i bakterii

– Penetracja w głąb kłaczków dotlenia i zwiększa

powierzchnie biosorpcji

– Rozdrobnienie osadu

– Cząstki pokarmu przetrawione, oblane mukoproteidem są

zasiedlane przez bakterie

Osad czynny – puchnięcie osadu

W warunkach niekorzystnych (przeciążenie komory

napowietrzania ładunkiem łatwo dostępnych

substratów, wysoki deficyt tlenowy) dochodzi do

przerostu utworów kłaczkowatych osadu i do tzw.

pęcznienia osadu czynnego.

Puchnięcie osadu j.t. wzrost objętości osadu przy

zachowaniu tej samej masy.

Wyróżniamy pęcznienie włókniste i niewłókniste:

 Pęcznienie włókniste spowodowane jest nadmiernym

rozwojem bakterii nitkowatych (Sphaerotilus natans,

Beggiatoa alba lub Thiothrix nivea) lub grzybów.

 Natomiast przyczyną pęcznienia niewłóknistego jest

rozwój bakterii wydzielających nadmierne ilości

śluzów zewnątrzkomórkowych.

Inne przyczyny puchnięcia
osadu

• Rozproszenie kłaczków wywołane silną

turbulencją

• Wzrost lekkości osadu przez osadzanie się

na klaczkach pęcherzyków gazu:

– Azotu cząsteczkowego, denitryfikacja

– Siarkowodoru, ditlenku węgla – podczas

zagniwania osadu

Efekty puchnięcia:

– Wynoszenie osadu

– Ułatwienie dyfuzji substratów i tlenu do

kłaczków Wzrost efektywności biodegradacji

– Odpływ ścieków z częścią spuchniętego osadu,

ubytek osadu

Warunki fizyczno-chemiczne mające
wpływ na oczyszczanie osadem
czynnym

Temperatura
• Wpływa na tempo respiracji
• Wzrost temperatury przyspiesza tempo: usuwania

węgla, azotu org., nitryfikację ( 15-25oC)

• Niskie temperatury obniżają szybkość reakcji

biochemicznych

• Temp. > 25oC powodują degenerację kłaczków,

rozproszenie rozwój form nitkowatych, wynoszenie

osadu.

• Niskie temp. - lepsza dyfuzja tlenu ale mała

aktywność bakterii

Warunki fizyczno-chemiczne mające
wpływ na oczyszczanie osadem
czynnym

Natlenienie
• Zawartość tlenu we wszystkich częściach komory

powinna być > 0,5 a najlepiej w granicach 1-3 mg

/litr

• Zbyt duże natlenienie to hamowanie dyfuzji z

powietrza, rozluźnienie kłaczków, dyspersja osadu

Warunki fizyczno-chemiczne mające
wpływ na oczyszczanie osadem
czynnym

Odczyn
• Granice optymalne dla enzymów łańcucha

oddechowego bakterii to pH = 7 – 7,5

• Zakres pH = 6-9 uznaje się za dopuszczalny
• pH <4 i >11 jest zabójcze –denaturacja białek

enzymatycznych

• Ścieki przemysłowe o zmiennym odczynie wymagają

neutralizacji

• pH < 6 może powodować rozwój grzybów w osadzie

Warunki fizyczno-chemiczne mające
wpływ na oczyszczanie osadem
czynnym

Składniki odżywcze
• Poza węglem najważniejsze to azot i fosfor

– N : BZT5 = 1 :17
– P : BZT5 = 1 : 90

• W ściekach miejskich i z przemysłu spożywczego

warunki te są spełnione

• W innych przypadkach podaje się pożywki mineralne;

wodę amoniakalną i kwas fosforowy w celu

uzyskania odpowiedniej biomasy osadu czynnego

Warunki fizyczno-chemiczne mające
wpływ na oczyszczanie osadem
czynnym

Związki toksyczne
• Występują głównie w ściekach przemysłowych.
• Toksyczne działanie powoduje:

– Zwolnienie przyrostu biomasy
– Dezaktywacje enzymów
– Zmniejszony pobór tlenu
– Rozproszenie kłaczków i w konsekwencji całkowity zanik

zdolności oczyszczania

• Przystosowanie osadu polega na:

– Adaptacji – ostrożne podawanie zwiększających się dawek

związków toksycznych – enzymy indukcyjne

– Biokumulacji – metoda detoksykacji ścieków

zawierających metale ciężkie

Schemat procesu oczyszczania
ścieków osadem czynnym

• Ścieki po mechanicznym oczyszczeniu kierowane są do komór

napowietrzania (komora osadu czynnego) z osadem czynnym.

• Zawartość komory jest stale napowietrzana, co umożliwia

dostarczenie wystarczającej ilości tlenu, utrzymuje 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 ścieków i zawartych w nich

substancji odżywczych, szybkością namnażania się bakterii, a

szybkością odpływu oczyszczonych ścieków wraz z pewna

ilością osadu czynnego, panuje stan równowagi.

• W czasie kontaktu ścieków z osadem czynnym, zachodzące

procesy rozkładu umożliwiają jednocześnie rozwój biomasy

osadu czynnego.

Schemat procesu oczyszczania
ścieków osadem czynnym

• Rozdziału oczyszczonych ścieków od osadu dokonuje się w

osadniku wtórnym. W urządzeniu tym następuje

sedymentacja osadu i klarowanie się oczyszczonych ścieków,

które odprowadza się do odbiornika.

• Osad czynny może być natomiast ponownie użyty do

oczyszczania ścieków i jest wówczas recyrkulowany. Często

jednak przed ponownym włączeniem go do procesu

oczyszczania trafia do komór regeneracyjnych, w których

napowietrzany jest w celu przywrócenia mu pełnej

sprawności fizjologicznej.

• Jeżeli osad z osadnika wtórnego nie jest zawracany do

komory osadu czynnego, to wówczas jest on jako osad

nadmierny usuwany i poddawany odpowiedniej przeróbce.

Document Outline