Uvod: Danas upoznajmo protagonista biološke obrade – aktivni mulj (prijenosnik raznih mikroorganizama). Igra ključnu ulogu u procesima biološke obrade, uklanjajući zagađivače kao što su KPK, amonijačni dušik, ukupni dušik i ukupni fosfor iz otpadne vode putem različitih mikroorganizama unutar mulja. Oni koji su posjetili postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda mogu osjetiti blagi miris blata; to je miris aktivnog mulja!
01 Podrijetlo aktivnog mulja
Aktivni mulj prvi su put otkrili 1912. Clark i Gage u Velikoj Britaniji, proizlazeći iz malog eksperimenta. U eksperimentu je produljeno prozračivanje otpadne vode stvorilo mulj, pa se kvaliteta vode značajno poboljšala. Arden i Lockgtt su kasnije proučavali ovaj fenomen.
Pokusi prozračivanja provedeni su u bocama. Na kraju svakog dana eksperimenta, boce su ispražnjene, a proces je ponovno započeo sljedeći dan. Slučajno su otkrili da je zbog toga što boce nisu bile temeljito očišćene, učinak tretmana bio bolji kada se mulj zalijepio za stijenke boce. Prepoznajući važnost mulja koji ostaje na stjenkama boca, nazvali su ga aktivni mulj.
Nakon toga, prije kraja svakog dana eksperimenta, pustili su prozračenu otpadnu vodu da se istaloži, odbacujući samo gornji sloj pročišćene vode i ostavljajući mulj na dnu za korištenje sljedeći dan. Time je značajno skraćeno vrijeme pročišćavanja otpadnih voda.
Godine 1916. prvi je uređaj za pročišćavanje otpadnih voda s aktivnim muljem izgrađen ovim eksperimentalnim postupkom.
02 Strukturni sastav i fizikalna svojstva aktivnog mulja
Aktivni mulj je flokulentna tvar nastala mješavinom mikrobnih zajednica poput bakterija, gljivica, protozoa i metazoa sa suspendiranim i koloidnim tvarima u otpadnoj vodi. Ima snažnu sposobnost adsorpcije i razgradnje organske tvari i dobra svojstva taloženja te posjeduje biokemijsku aktivnost.
Flokule i filamentozne bakterije važne su komponente aktivnog mulja.
Flokule nastaju nakupljanjem bakterija sa sluzi ili kapsulama. Adsorbiraju nečistoće i slobodne mikroorganizme u otpadnoj vodi, dajući aktivnom mulju izvrsna svojstva taloženja i štiteći mikroorganizme u otpadnoj vodi od gutanja ili trovanja.
Nitaste bakterije čine kostur aktivnog mulja. Oni rastu i izdužuju se pod pričvršćivanjem flokula, uzrokujući flokule da tvore veće čestice, a istovremeno održavaju rastresitost aktivnog mulja.
Po izgledu, aktivni mulj je općenito žut ili smeđe-žut. Postaje crn kada je opskrba kisikom nedovoljna ili anaerobna, a sivkasto-bijela kada je opskrba kisikom prekomjerna, a hranjive tvari nedostatne. Aktivni mulj ima visok sadržaj vode, općenito iznad 99%, a gustoća mu je slična gustoći vode, obično 1,002–1,003 kg/L.
03 Mikrobni sastav aktivnog mulja
U mikroorganizmima aktivnog mulja, protozoe se hrane bakterijama, dok se metazoe hrane i protozoama i bakterijama, tvoreći hranidbeni lanac i uravnoteženu biološku zajednicu. Bakterije aktivnog mulja često postoje u obliku flokula, a manje ih ima u slobodnom stanju. To daje bakterijama sposobnost da se odupru nepovoljnim vanjskim čimbenicima. Slobodne bakterije nije lako taložiti, ali mogu biti plijen protozoa, čime se otpadna voda iz taložnika čini prozirnijom.
1. Bakterije
Bakterije su jednostanični-organizmi. Oni su raznoliki, brojni i sićušne veličine unutar aktivnog mulja, posjeduju jaku sposobnost adsorpcije i razgradnje organske tvari, igrajući ključnu ulogu u pročišćavanju otpadnih voda.
U ranim fazama uzgoja aktivnog mulja, bakterije su uglavnom slobodne u otpadnoj vodi. Kako se mulj postupno formira, oni se postupno okupljaju u veće skupine.
(1) Flokule: To su sićušne, vidljive čestice koje se sastoje od bakterija i njihovih izlučenih želatinoznih tvari. Većina bakterija u aktivnom mulju obavijena je želatinoznim tvarima koje postoje u obliku pahuljica. Flokule su strukturno i funkcionalno središte aktivnog mulja koje posjeduju svojstva kao što su adsorpcija, oksidativna razgradnja i koagulacijska sedimentacija.
(2) Filamentne bakterije: To su vrste bakterija čije su stanice, s kapsidama ili bez njih, međusobno povezane i tvore filamente. Nitaste bakterije često se vežu i isprepliću s bakterijskim pahuljicama, tvoreći kostur obraštajućeg mulja. Međutim, kada se razmnožavaju u velikom broju, mogu pogoršati svojstva flokulacije i taloženja aktivnog mulja, a u teškim slučajevima uzrokovati nakupljanje mulja.
(3) Nitrifikacijske bakterije Nitrifikacijske bakterije su vrsta autotrofnih bakterija koje mogu razgraditi amonijak i nitrit. Uključuju dvije fiziološke podskupine: *Nitrificirajuće bakterije* i *Nitrificirajuće bakterije*, koje pripadaju neovisnoj obitelji-Obitelji nitrificirajućih bakterija. Nitrifikacijske bakterije dobivaju energiju za zadovoljenje svojih metaboličkih potreba oksidacijom anorganskih spojeva nitrifikacijom, koristeći CO2 kao jedini izvor ugljika. One su tipične kemoautotrofne bakterije. Nitrifikacijske bakterije posjeduju nitrifikaciju, što se odnosi na proces kojim nitrifikacijske bakterije oksidiraju NH3 u NO2- u aerobnim uvjetima, te ga dalje oksidiraju u NO3-, čime dobivaju energiju potrebnu za rast. Prvi stupanj, oksidacija NH3 u NO2-, naziva se nitrifikacija ili oksidacija amonijaka, a dovršavaju je nitrifikacijske bakterije; druga faza, oksidacija NO2- u NO3-, naziva se nitrifikacija, a završavaju je nitrifikacijske bakterije. Stoga nitrifikacija o kojoj se često raspravlja zapravo uključuje dvije faze: nitrifikaciju pomoću bakterija koje oksidiraju nitrit i nitrifikaciju pomoću nitrifikacijskih bakterija.
(4) Denitrifikacijske bakterije: Denitrifikacijske bakterije su kemoheterotrofne bakterije. U uvjetima -nestašice kisika, reduciraju nitrate u nitrite i dalje reduciraju nitrite u plinoviti dušik, čime dobivaju energiju. To je u biti suprotno od funkcije nitrifikacijskih bakterija (priroda je zanimljiva na taj način; dvije različite vrste bakterija ostvaruju ciklus dušika). Denitrifikacijske bakterije su široko rasprostranjene u tlu i otpadnim vodama, igrajući važnu ulogu u pročišćavanju krajobrazne vode, upravljanju urbanim rijekama i pročišćavanju akvakulture.
(5) Bakterije hidrolitičkog zakiseljavanja: To su bakterije koje mogu koristiti velike, složene organske molekule za životne aktivnosti u anaerobnim okruženjima. Hidroliza je proces kojim se složeni, netopivi polimeri pretvaraju u jednostavne topive monomere ili dimere. Zbog svoje velike relativne molekularne težine, organska tvar-molekularne-težine ne može proći kroz stanične membrane i stoga je bakterije ne mogu izravno iskoristiti. Prvo se pretvaraju u manje molekule hidrolitičkim djelovanjem bakterijskih izvanstaničnih enzima. Najtipičnija karakteristika ovog stadija je da se biološka reakcija odvija izvanstanično. Bakterije dovršavaju biokatalitičke oksidacijske reakcije otpuštanjem izvanstaničnih slobodnih enzima ili imobiliziranih enzima pričvršćenih na staničnu stijenku.
I tako dalje... postoji mnogo vrsta bakterija, pa ću za sada ovdje stati. Detaljno predstavljanje pojedinačnih bakterijskih vrsta može se dati kasnije.
2. Praživotinje
Protozoe su male, jednostavne jednostanične-životinje-niske razine. Velik broj protozoa postoji u aktivnom mulju iz pročišćavanja otpadnih voda. Unošenjem organskih čestica sudjeluju u pročišćavanju otpadnih voda. Nadalje, budući da su protozoe osjetljive na uvjete okoliša, njihov se sastav i količina mijenjaju s varijacijama okoliša; stoga se često koriste kao indikatorski organizmi. Uobičajeni primjeri uključuju vorticella, amebe, bičaše i plivajuće cilijate. Ti mikroorganizmi čine više od 80% ukupnog broja. Ako broj jedinki prelazi 1000/mL, treba ga smatrati aktivnim muljem visoke učinkovitosti pročišćavanja.
3. Mikrometazoe
Glavne mikrometazoe u aktivnom mulju su rotiferi i nematode. Općenito, broj mikroskopskih metazoa u aktivnom mulju je relativno mali. Međutim, u aktivnom mulju s niskim-opterećenjem, posebno u aktivnom mulju s produljenom aeracijom, rotatori i maločetinje ponekad mogu postati dominantne vrste.
04 Pokazatelji učinkovitosti aktivnog mulja Mikrobna zajednica uglavnom uključuje bakterije, protozoe i metazoe, pri čemu su bakterije i protozoe dvije glavne kategorije. Pokazatelji učinkovitosti aktivnog mulja uključuju: suspendirane krutine miješane tekućine (MLSS), omjer taloženja mulja (SV), indeks volumena mulja (SVI) i indeks gustoće mulja (SDI).
Suspendirane krutine miješane tekućine (MLSS) predstavljaju ukupnu težinu krutih tvari aktivnog mulja sadržanih u jedinici volumena miješane tekućine u spremniku za prozračivanje, tj.
MLSS=Ma + Ja + Mi + Mii
Ma – metabolički aktivna mikrobna zajednica;
Me – Ostaci iz endogenog metabolizma i samo{0}}oksidacije mikroorganizama (uglavnom bakterija);
Mi – Inertna organska tvar koju bakterije teško razgrađuju, nošena sirovom otpadnom vodom;
Mii – Anorganska tvar koju prenosi otpadna voda.
Jedinica je mg/L ili kg/m³.
Isparljive suspendirane krutine miješane tekućine (MLVSS) predstavljaju koncentraciju organskih krutina u aktivnom mulju miješane tekućine, tj.
MLVSS=Ma + Ja + Mi
Omjer MLVSS prema MLSS izražava se kao f. Pod normalnim okolnostima, f vrijednost je relativno fiksna, oko 0,75 za kućnu otpadnu vodu.
I MLVSS i MLSS mogu se koristiti za odraz koncentracije mulja u spremnicima za biološki tretman. Dnevne usporedbe podataka mogu otkriti rast aktivnog mulja. Međutim, MLVSS isključuje anorganske tvari, čineći njegovu vrijednost bližom stvarnom broju mikroorganizama.
Brzina taloženja mulja (SV), također poznata kao 30-minutna brzina taloženja, postotak je volumena istaloženog mulja nastalog nakon što se miješana tekućina taložila u graduiranom cilindru tijekom 30 minuta, izražena kao postotak (%).
U ranim fazama uzgoja aktivnog mulja, brzina taloženja može se koristiti za početno promatranje rasta mulja. Općenito, normalni, stabilni aktivni mulj SV je između 20-35%. Niži SV označava nedovoljnu koncentraciju mulja, dok viši SV ukazuje na pretjerano brz rast mulja (prekomjerna količina hranjivih tvari, vjerojatno zbog pretjeranog izvora ugljika).
Indeks volumena mulja (SVI), također poznat kao indeks mulja, volumen je taloženog mulja (u mL) po gramu suhog mulja nakon 30 minuta taloženja u miješanoj tekućini na izlazu iz spremnika za prozračivanje. Formula za izračunavanje indeksa volumena mulja je:
SVI=SV/MLSS
SVI se koristi za procjenu performansi taloženja mulja, a njegov normalni raspon je obično između 70 i 150 mL/g. Niska vrijednost SVI ukazuje na nisku aktivnost mulja i visok sadržaj anorganske tvari; visoka SVI vrijednost ukazuje na potencijalno nakupljanje mulja i lošu izvedbu taloženja.
Indeks gustoće mulja (SDI), koji se obično naziva gustoća, recipročna je vrijednost SVI.