Biologiczne Metody Oczyszczania Ścieków - opracowanie
Wykład 1
Na czym polegają zdolności rzek do samooczyszczania się?
Na włączaniu substancji ściekowych w naturalne obiegi pierwiastków poprzez: rozcieńczanie, adsorpcję, sedymentację, rozkład i mineralizację.
Możliwości samooczyszczania się rzeki zależą od:
- intensywności mieszania i natlenienia wody
- dostępności rozbudowanej powierzchni dla rozwoju biofilmów bakteryjnych
- obecności stref zastojowych sprzyjających sedymentacji
- bliskie sąsiedztwo mikrosiedlisk tlenowych i beztlenowych.
§ Losy rozpuszczonych substancji organicznych:
Włączenie substancji ściekowych w naturalne obiegi pierwiastków poprzez: rozcieńczanie, adsorpcja, sedymentacja, rozkład, mineralizacja.
Rozcieńczenie: większe rozcieńczenie = mniejsze szkody (np. deficyty tlenu)
Adsorpcja: rozpuszczone i koloidalne substancje są wiązane przez powierzchnie substratów tworzących dno rzeki (kamienie, żwir, łodygi roślin). Duże znaczenie ma również adsorpcja na powierzchniach cząstek unoszących się w wodzie.
Sedymentacja: opadanie cząstek na dno – woda, która płynie na dno pozbawiona jest ścieków.
UWAGA! Adsorpcja i sedymentacja nie pozbawia wody zanieczyszczeń, jedynie je unieruchamia.
Biochemiczny rozkład i mineralizacja: powoduje eliminację zanieczyszczeń.
Podstawową rolę w rozkładzie i mineralizacji odgrywają heterotroficzne bakterie i mikroskopijne grzyby dla których ściek stanowi źródło pokarmu. Część substratów służy jako źródło energii: mineralizacja; pozostała część wykorzystywana jest do produkcji nowej biomasy jako budulec.
§ Granice faz jako siedlisko mikroorganizmów
Unoszące się w wodzie cząstki, tak jak wszelkie zanurzone powierzchnie są bardzo atrakcyjnym siedliskiem dla bakterii i innych mikroorganizmów. W zależności od swojego pochodzenia, same cząstki mogą być bogatym źródłem substancji pokarmowych dla bakterii, ale równie ważne są substancje, które ulegają adsorpcji na ich powierzchniach. Dzięki adsorpcji różne substancje osiągają stężenia o kilka rzędów wielkości wyższe niż w otaczającej toni wodnej, stając się znacznie łatwiej dostępne dla bakterii. Zagęszczenie bakterii na różnego rodzaju cząstkach i zanurzonych powierzchniach jest wielokrotnie wyższe niż w otaczającej je toni wodnej.
§ Właściwości bakteryjnych biofilmów
Biofilmy to rozpowszechniona forma rozwoju bakterii, zanurzone powierzchnie są atrakcyjne dla bakterii które wytwarzają śluz czyli egzopolimery.
Aktywność mikroorganizmów i wydzielane przez nie polimery mają decydujący wpływ na tworzenie kłaczkowatych agregatów. Wprowadzenie antybiotyków ogranicza proces flokulacji w wodzie naturalnych zbiorników.
Egzopolimery (EPS) tzw. substancje śluzowe, stanowią często dużą część całkowitej masy agregatów oraz biofilmów pokrywających wszelkiego rodzaju zanurzone powierzchnie. Dzięki swojej reaktywnej naturze egzopolimery ułatwiają wiązanie rozcieńczonych substancji z toni wodnej. Ponadto stanowią ochroną przed bakteriożercami i wirusami oraz mogą osłabiać oddziaływanie substancji toksycznych.
Egzopolimery:
- tworzenie kłaczków osadu, przytwierdzanie do podłoża, umożliwiają „sklejanie”
- łatwiejsze wiązanie substancji rozcieńczonych w toni wodnej
- efektywne korzystanie z enzymów wydzielanych przez bakterie
- asymilacja produktów reakcji hydrolitycznych
- ochrona przez bakteriożercami i wirusami, osłabianie substancji toksycznych.
§ Cząstki organiczne w toni wodnej – (“śnieg morski”)
Cząstki przypominające kłaczki osadu czynnego występują w toni naturalnych zbiorników wodnych. Ze względu na podobieństwo do płatków śniegu nazwano je śniegiem morskim. Odgrywają one istotną rolę w transporcie węgla organicznego z powierzchni do głębokich warstw. Podobne cząstki, zasiedlone przez mikroorganizmy i najdrobniejsze zwierzęta występują także w toni jezior i rzek.
Na unoszących się cząstkach istnieją zespoły organizmów o kilkupoziomowej strukturze troficznej. Stała obecność takich organizmów z dala od dna oznacza, że unoszące się cząstki to specyficzny rodzaj siedliska w otwartej toni wodnej.
§ Substancje śluzowe a sedymentacja cząstek
Substancje śluzowe umożliwiają łączenie się cząstek w większe agregaty a tym samym zwiększają sedymentację cząstek. Substancje śluzowe stanowią dużą część całkowitej masy agregatów oraz biofilmów pokrywających wszelkiego rodzaju zanurzone powierzchnie.
§ Rozkład i mineralizacja w osadach dennych
Rozkład i mineralizacja w osadach dennych powodują eliminację substancji ściekowych. Ścieki wykorzystywane są przez organizmy jako pokarm. Część ulega mineralizacji w wyniku rozkładu, pozostała część wykorzystywana jest jako budulec do produkcji nowej biomasy.
§ Znaczenie procesów beztlenowych
Ruch wody w obrębie osadów dennych jest ograniczony – bakterie zużywają tlen szybciej niż jest on dostarczany na drodze dyfuzji à w głębi osadów panują warunki beztlenowe: zawsze! W rezultacie wewnątrz osadów ogromną rolę odgrywają procesy beztlenowe: mineralizacja przez beztlenowce.
§ Granica zasięgu tlenu jako miejsce szczególnej aktywności mikroorganizmów tlenowych i beztlenowych
Granica zasięgu tlenu w obrębie osadu jest środowiskiem o wysokiej aktywności biologicznej licznej grupy bakterii. Organizmy nad granicą tlenu korzystają z substancji dostarczanych przez organizmy żyjące w strefie beztlenowej. Tlenowce i beztlenowce korzystają z siebie nawzajem, np. bakterie nitryfikujące i denitryfikujące wzajemnie się uzupełniają po obu stronach.
Granica zasięgu tlenu jest zasiedlana także przez makrofaunę, która kopiąc tunele i wpuszczając wodę zawierającą tlen do osadu powiększają strefę tlenową. Zwierzęta przyspieszają aktywność beztlenowców. Jeżeli tlen zniknie (granica z osadu przechodzi do toni wodnej) to zwierzęta giną i mineralizacja zmniejsza się.
Wykład 2
Parametry używane do ilościowej charakterystyki ścieków
§ BZT5, ChZT i TZT (teoretyczne zapotrzebowanie tlenowe)
BZT – Biologiczne zapotrzebowanie tlenowe: ilość tlenu potrzebna bakteriom do utlenienia (biologicznie rozkładalnych) związków organicznych w warunkach tlenowych w temp. 20˚C. Badane ścieki rozcieńcza się znaną ilością dobrze natlenionej wody.
Wartość BZT uzyskuje się w wyniku pomiaru zużycia tlenu przez badaną próbkę wody lub ścieków w ciągu 5 lub 20 dni (Oznaczając to odpowiedni BZT5 lub BZT20). Pośrednio określa się w ten sposób stężenie substancji organicznej podatnej na biodegradację. BZTn jest wskaźnikiem czystości wody i jakości oczyszczanych ścieków: im wyższa wartość BZTn tym większe zanieczyszczenie (ilość związków organicznych). Z przyczyn praktycznych częściej stosowane jest BZT5.
è Mierząc ilość zużytego tlenu przez organizmy sprawdzamy ile jest substancji organicznych
ChZT – Chemiczne zapotrzebowanie tlenowe: umowne pojęcie oznaczające ilość tlenu (mg/dm³), pobranego z utleniaczy (np. dichromiany (Cr2O72-), jodany (V) (IO3-), manganiany (VII) (MnO4-)) na utlenienie związków organicznych i niektórych nieorganicznych (np. siarczanów(IV), siarczków, żelaza(II)) do najwyższego stopnia utlenienia. Stosowane jako miara zanieczyszczeń w wodzie i ściekach.
§ Co wynika z porównania wyników BZT5 i ChZT?
Proporcja wyników BZT i ChZT może wskazywać na pochodzenie zanieczyszczeń i metody ich oczyszczania.
Wysoki stosunek ChZT do BZT: dominacja substancji mineralnych.
Niski stosunek ChZT do BZT: dominacja substancji organicznych lub trudno rozkładalnych (mogą również występować toksyny uniemożliwiające rozwój organizmów).
Przykładowe wartości BZT:
- ścieki bytowe: 150 -400
- gnojówka: 7000 – 18000
§ Stężenia, ładunki i pojęcie równoważnej liczby mieszkańców
Ilościowa charakterystyka ścieków pozwala:
- porównywanie ścieków między sobą
- przewidywać skutki dostania się ścieków do rzek
- oceniać skuteczność oczyszczalni.
Ładunek = stężenie x objętość
Posługiwanie się ładunkiem jest praktyczniejsze niż posługiwanie się stężeniem à ile substancji organicznej dopływa do oczyszczalni w ciągu doby.
RLM – równoważna liczba mieszkańców: całkowity dzienny ładunek podzielony przez ładunek produkowany przez statystycznego obywatela. Pozwala to prognozować jaką oczyszczalnię należy wybudować, aby podołała ilości ścieków.
§ Właściwości idealnego wskaźnika zagrożenia organizmami chorobotwórczymi
Idealny wskaźnik: (1) organizm który występuje w odchodach i jest zawsze obecny kiedy jest prawdopodobieństwo wystąpienia patogenów; (2) powinien występować w większych ilościach niż patogeny, żeby przy rozcieńczaniu nie zanikał z pola widzenia wcześniej; (3) łatwy do izolacji i liczenia (4) wykazywać nieco większą odporność i przeżywalność w zbiorniku wodnym niż patogen (5) musi być bezpieczny dla ludzi.
Najpopularniejszy wskaźnik: Escherichia Coli
§ Sposoby wyrażania zagęszczenia Escherichia coli
Miano coli – taka ilość cm3 wody, która zawiera 1 komórkę
2 wskaźnik: liczba bakterii w 100 ml ścieku / wody.
Woda pitna = co najmniej 100 ml (miano Coli).
Mechaniczne metody oczyszczania ścieków
Pierwszy element to na ogół kraty (niektóre mają wcześniej zbiorniki wyrównawcze)
Piaskowniki, odtłuszczacze, osadniki.
§ Kraty, piaskowniki, osadniki
Kraty – służą do usuwania ze ścieków zawiesin i ciał pływających o dużych wymiarach. Powstające osady nazywane są skratkami, które po higienizacji składuje się na terenie do tego przeznaczonym lub mogą stanowić dodatek w procesie kompostowania. Kraty dzieli się na gęste, średnie i rzadkie, ruchome i stałe. Oczyszcza się je ręcznie lub mechanicznie. Szybkość przepływu ścieków przez kraty nie może być mniejsza niż 0,6 m/s, aby zapobiec osiadaniu piasku. Na kratach gęstych można usunąć 2-10% zawiesin ogólnych.
Sita – zatrzymują zawiesiny o wymiarach cząstek o średnicy powyżej 5 mm. Unieszkodliwia się je, np. przez kompostowanie lub fermentację w komorach fermentacyjnych. Na sitach usuwa się dalsze 5-10% zawiesin ogólnych.
Piaskowniki – stosuje się do zatrzymywania zawiesin ziarnistych (piasek, żwir). W przypadku kanalizacji ogólnospławnej stosowanie piaskowników jest konieczne, szczególnie w celu zabezpieczenia pomp w przepompowaniach ścieków.
Tłuszczowniki - są to osadniki przepływowe, które służą do wydzielenia w procesie flotacji olejów i tłuszczów, a w szczególnych przypadkach produktów naftowych ze ścieków. Wykorzystuje się tu różnicę gęstości substancji zanieczyszczających i wody. W oczyszczalniach, aby uniknąć osiadania zawiesin, a także w celu zidentyfikowania procesu flotacji, zawartość tłuszczowników przedmuchuje się sprężonym powietrzem.
Osadniki – służą do usuwania zawiesin łatwo opadających. Efektywność sedymentacji, z zarazem czas zatrzymania ścieków w osadnikach określa się na podstawie badań laboratoryjnych. Osadniki mogą być końcowym etapem mechanicznego oczyszczania ścieków, co warunkowane jest wymaganym stopniem i oczyszczania. W trójstopniowym pełnym cyklu oczyszczania ścieków: mechaniczne, biologiczne i chemiczne, instalowane są tzw. osadniki wstępne przed etapem biologicznego (bądź chemicznego) oczyszczania oraz osadniki wtórne do wydzielania osadów po oczyszczaniu biologicznym oraz chemicznym. Osady zatrzymane w osadnikach usuwa się za pomocą zgarniaczy i pomp.
Plusy osadnika: mniejsze komory biologiczne, mniejsze zużycie energii, mniejszy przyrost biomasy, mniejsze koszty
Minus osadnika: problem osadu i jego usuwania.
§ Osadniki wielostrumieniowe (lamellarne)
Występują dodatkowe dna – na krótszym odcinku osadnika przez 3 poziomy następuje szybsze i wydajniejsze osadzanie się zawiesiny, zwiększona wydajność.
Pojęcia związane z hodowlą mikroorganizmów
Hodowle mikroorganizmów: 2 podstawowe metody: statyczna i przepływowa (ciągła)
§ Fazy rozwoju populacji mikroorganizmów w hodowli statycznej
Hodowla statyczna – do czystej pożywki wprowadzamy pewną ilość bakterii i od tego momentu przestajemy ingerować. W odróżnieniu od warunków naturalnych à nowe źródło pokarmu.
Fazy rozwoju populacji w hodowli statycznej:
1.) Faza przygotowawcza (zastoju)
a. Synteza odpowiednich enzymów, rybosomów
b. Organizmy aklimatyzują się do nowej pożywki
c. Może być niezauważalna, gdy są dwie takie same odżywki
2.) Faza wzrostu wykładniczego
a. Bakterie dzielą się z maksymalną prędkością
b. Wzrost lawinowy bo liczebność bardzo szybko wzrasta
c. Tempo wzrostu jest wprost proporcjonalne do biomasy w danym momencie
d. Faza wzrostu ma kształt linii prostej
e. Czas trwania jest dość krótki bo kończą się zasoby pożywki.
f. Prędkość nie jest limitowana dostępnością pokarmu, bo pożywka jest świeża a pokarm w nadmiarze; kończy się jak dostępność substratów staje się czynnikiem ograniczającym.
3.) Faza wzrostu spowolnionego
a. Występuje ograniczenie dostępności pokarmu
b. Zwiększa się stężenie metabolitów
c. Pojawiają się bakterie o obniżonej żywotności
4.) Faza stacjonarna
a. Przestaje przyrastać biomasa, zredukowany metabolizm.
5.) Faza zamierania
§ Specyficzne tempo wzrostu populacji
Komora napowietrzania i osadnik wtórny tworzą układ, który selekcjonuje tylko niektóre spośród wszystkich docierających tam organizmów. Nie mogą takiego systemu zasiedlać organizmy rozproszone, ponieważ nie opadają dostatecznie szybko w osadniku i odpływają wraz z oczyszczonym ściekiem.
Tempo wzrostu populacji większości gatunków jest niższe niż tempo w jakim zawartość reaktora podlega wymianie. Szansę na zadomowienie się w takim systemie mają tylko te organizmy, które albo same tworzą opadające agregaty albo potrafią się do takich przyłączyć. Dzięki sedymentacji i recyrkulacji osadu mogą pozostawać w systemie znacznie dłużej niż przepływający ściek.
Ks – stała nasycenia – specyficzna dla danego szczepu bakterii.
O możliwości skolonizowania systemu przez konkretny gatunek decyduje to, czy tempo wzrostu jego populacji jest w stanie zrównoważyć wszystkie straty: część mikroorganizmów usuwana jest z osadem nadmiernym, część odpływa w oczyszczonym ścieku, część jest eliminowana przez bakteriożerców i drapieżniki. Gatunek, którego populacja przyrasta szybciej w danych warunkach, zwiększa swój udział w osadzie kosztem gatunków rosnących wolniej.
Niskie stężenia substratów:
- tempo wzrostu proporcjonalne do zasobów (stężenia substratu)
- dominują bakterie o niskiej stałej nasycenia
- organizmy posiadają wysokie powinowactwo do substratu (który jest silnie rozcieńczony)
...
camillo2008