W niniejszym artykule dowiemy się na czym polega tzw. metoda osadu czynnego stosowana w procesie biologicznego oczyszczania ścieków dopływających do oczyszczalni Przedsiębiorstwa Wodociągów i Kanalizacji Sp. z o.o. zlokalizowanych w Olkuszu i Bukownie.
Technologia osadu czynnego opiera się na naturalnych procesach samooczyszczania, które zachodzą w każdym zbiorniku wodnym czy glebie przy udziale mikroorganizmów, dla których zanieczyszczenia stanowią źródło pokarmu. Procesy zachodzące w środowisku nie są wystarczające do unieszkodliwienia dużych ilości różnego typu zanieczyszczeń, które powstają wskutek działalności człowieka. Dlatego też w oczyszczalniach ścieków intensywność procesów samooczyszczania jest zwielokrotniona tzn., że proces oczyszczania realizowany jest na dużo mniejszej powierzchni i w znacznie krótszym czasie, niż dzieje się to w środowisku naturalnym. W procesie tym zanieczyszczenia są usuwane ze ścieków poprzez ich kontakt z osadem czynnym.
Czym jest i jak powstaje osad czynny?
Osad czynny to mikroorganizmy w postaci kłaczkowatej zawiesiny (Fot. 1).
Fot. 1. Osad czynny widziany pod mikroskopem (obraz w jasnym polu, pow. 200x).
Kłaczki osadu powstają w wyniku łączenia się mikroorganizmów z martwymi cząstkami organicznymi oraz cząstkami nieorganicznymi poprzez tworzenie różnego rodzaju wiązań chemicznych i oddziaływań międzycząsteczkowych. Istotne znaczenie odgrywają tu egzopolimery określane potocznie jako „substancje śluzowate”, które często stanowią znaczną część całkowitej masy kłaczka. Egzopolimery umożliwiają m.in. sklejanie się mniejszych cząstek w większe agregaty, wiązanie rozcieńczonych substancji z toni wodnej, efektywne korzystanie z wydzielonych przez bakterie enzymów oraz ochronę przed bakteriożercami i wirusami. Mikroorganizmy tworzące osad czynny docierają do oczyszczalni ze źródeł zewnętrznych – ścieków, powietrza, gleby, zwierząt. Nie jest to jednak przypadkowy zestaw organizmów. Układy technologiczne oczyszczalni pozwalają na wyselekcjonowanie z docierających mikroorganizmów grupy zdolnej do oczyszczania ścieków, która jest w stanie rozwijać się i realizować swój cykl życiowy w stworzonym systemie. Każda oczyszczalnia wytwarza swoisty osad o charakterystycznej strukturze gatunkowej, która zależy od charakterystyki ścieków i technicznej konfiguracji systemu oczyszczania ścieków.
Jakie organizmy tworzą osad czynny?
Najliczniejszą i najważniejszą grupę mikroorganizmów osadu czynnego stanowią bakterie (Fot. 2 i 3).
Fot. 2. Monokolonia bakterii w osadzie czynnym (obraz mikroskopowy - jasne pole, pow. 400x).
Fot. 3. Monokolonia bakterii zooglealnych w postaci palczastych skupień w osadzie czynnym (obraz mikroskopowy - jasne pole, pow. 200x).
Bakterie mogą występować w postaci pojedynczych komórek lub tworzyć kolonie. Do najczęściej spotykanych zalicza się bakterie z rodzaju Flavobacterium, Zooglea, Bacillus, Alcaligenes, Acinetobacter, Brevibacterium, Comomonas, Corynebacterium, Achromobacter czy Pseudomonas.
Największą z towarzyszących bakteriom grup mnikroorganizmów są pierwotniaki. Jest to bardzo zróżnicowana pod względem rozmiaru, kształtu, budowy oraz sposobów poruszania się grupa, wśród której wyróżniamy orzęski (Fot. 4), wiciowce (Fot.5) i korzenionóżki (Fot. 6).
Fot. 4. Orzęsek osiadły tworzący kolonie o drzewkowatym kształcie(obraz mikroskopowy – kontrast fazowy, pow. 400x).
Fot. 5. Wiciowiec w osadzie czynnym (obraz mikroskopowy – kontrast fazowy, pow. 400x).
Fot. 6. Ameba domkowa w osadzie czynnym (obraz mikroskopowy – kontrast fazowy, pow. 400x).
Pierwotniak odgrywają w osadzie czynnym istotną rolę, przede wszystkim jako konsumenci. Większość z nich żywi się bakteriami, niektóre są drapieżnikami polującymi na inne pierwotniaki. Konsekwencją ich działalności konsumpcyjnej jest:
- znaczne obniżenie mętności ścieków oczyszczonych,
- zminimalizowanie liczebności bakterii w ściekach oczyszczonych,
- odmłodzenie i uaktywnienie populacji bakterii poprzez wpływanie na ich skład gatunkowy, aktywność i formę wzrostu.
W skład mikrofauny osadu czynnego wchodzą również organizmy tkankowe i grzyby. Grzyby nie stanowią częstego składnika biocenozy osadu czynnego i rosną obficie w specyficznych warunkach np. niedoboru azotu w ściekach, niskiego pH czy toksyczności ścieków. Najpowszechniejszymi wśród organizmów tkankowych są wrotki (Fot. 7) oraz nicienie (Fot. 8), w niewielkich ilościach spotykane są skąposzczety, niesporczaki i brzuchorzęski. Organizmy te odżywiając się bakteriami i mniejszymi pierwotniakami odmładzają ich populacje i nie dopuszczają do ich nadmiernego przyrostu.
Fot. 7. Wrotek w osadzie czynnym (obraz mikroskopowy – jasne pole, pow. 200x).
Fot. 8. Nicień w osadzie czynnym (obraz mikroskopowy – jasne pole, 200x).
Gdzie i w jakich warunkach zachodzi oczyszczanie biologiczne?
Oczyszczanie biologiczne zachodzi w tzw. komorach biologicznych (Fot. 9).
Fot. 9. Komory biologiczne osadu czynnego na oczyszczalni ścieków w Olkuszu.
Komory biologiczne są to zbiorniki, do których kierowane są ścieki po tzw. wstępnym mechanicznym oczyszczaniu. W komorach następuje mieszanie ścieków z kłaczkami osadu czynnego. Z uwagi na to, że mikroorganizmy osadu czynnego pełnią kluczowa rolę w procesie biologicznego oczyszczania ścieków - komory biologiczne są zaprojektowane w taki sposób, aby zapewnić im jak najlepsze warunki do rozwoju tj. odpowiednie mieszanie, napowietrzanie, odbiór nadmiaru produkowanej biomasy, dostęp odpowiedniej ilości pokarmu. Wymagania życiowe poszczególnych grup mikroorganizmów są tak różne, że spowodowało to konieczność wydzielenia
w komorach biologicznych stref o różnych warunkach np. tlenowej, beztlenowej, anoksycznej. Procesy oczyszczania są wrażliwe na różne czynniki środowiskowe m.in. temperaturę, pH, tlen.
W związku z tym stały pomiar w/w czynników oraz innych parametrów fizyko-chemicznych tj. azotanów, amoniaku, ortofosforanów, potencjału redox umożliwia kontrole i sterowanie w/w procesami. Wprowadzanie przez mieszkańców ze ściekami do zbiorczego systemu kanalizacji sanitarnej substancji toksycznych, zużytych olejów, farb, środków ochrony roślin, lekarstw powoduje znaczne zmniejszenie skuteczności i efektywności oczyszczania ścieków, a czasami całkowite zahamowanie procesów oczyszczania i zatrucie osadu czynnego. Dlatego też tak ważne jest uświadomienie mieszkańcom, jak duży wpływ na prawidłowe oczyszczanie ścieków ma właściwe korzystanie z urządzeń sanitarnych w naszych domach.
Jakie procesy zachodzą podczas oczyszczania biologicznego?
Podczas oczyszczania biologicznego zanieczyszczenia zawarte w ściekach są przekształcane przez mikroorganizmy osadu czynnego w proste związki chemiczne: wodę, produkty gazowe oraz biomasę. W przebiegu procesu ważne jest to, że mikroorganizmy żywią się zanieczyszczeniami, w wyniku czego wzrasta ich biomasa i zmniejsza się ilość substancji zanieczyszczających zawartych w ściekach.
Nadmierny wzrost żyzności (eutrofizacja) zbiorników wodnych, zwłaszcza jezior
i przybrzeżnych wód morskich powoduje intensywny rozwój glonów i sinic co prowadzi do bardzo niekorzystnych zmian środowiskowych i znacznego pogorszenia jakości wody. Zjawisko eutrofizacji zachodzi na skutek zbyt dużych ilości związków azotu i fosforu (zwanych substancjami biogennymi) w wodzie. Usuwanie tych substancji jest jednym z ważniejszych zadań oczyszczalni, w którym wykorzystuje się procesy biologiczne tj. nitryfikację, denitryfikację i defosfatację.
Usuwanie azotu ze ścieków przeprowadzane jest przez różne grupy bakterii. Najpierw następuje utlenienie w procesie nitryfikacji przez bakterie nitryfikacyjne amoniaku i soli amonowych zawartych w ściekach do azotynów i azotanów, które później są redukowane przez bakterie denitryfikacyjne w procesie denitryfikacji do azotu cząsteczkowego, który jest uwalniany do atmosfery.
Usuwanie fosforu metodą biologiczną w procesie defosfatacji polega na kumulowaniu fosforu przez specyficzne bakterie wewnątrz ich komórek. Wbudowany w biomasę osadu czynnego fosfor jest następnie usuwany z układu jako osad nadmierny, który jest pompowany do części osadowej oczyszczalni i poddawany dalszej przeróbce. Rezultatem w/w procesu jest zmniejszenie zawartości fosforu w ściekach.
Osad czynny stanowi wrażliwy i wymagający stałej troski ekosystem. Jego skuteczność
w procesach oczyszczania opiera się na zaawansowanych mechanizmach mikrobiologicznych angażujących różnorodne mikroorganizmy, które wspólnie pracują usuwając zanieczyszczenia
i przyczyniając się do poprawy jakości cieków wodnych.
