Razumijevanje aktivnog mulja (II) – Kako održati mikroorganizme 'reproduktivnim'!

Predgovor: Prethodni dokument raspravljao je o podrijetlu i strukturi mikrobne zajednice aktivnog mulja. Ovaj se dokument fokusira na "kako održati reprodukciju mikroorganizama". Svi znamo da kada je okoliš pogodan za razmnožavanje, organizmi (biljke, životinje i mikroorganizmi) prirodno ulaze u reproduktivno stanje; kada se okoliš pogorša, organizmi se prestaju razmnožavati. Ako upotrijebimo ljudsku "reproduktivnu želju" kao analogiju, mladi ljudi danas se suočavaju s tri velika izazova: obrazovanje, zdravstvena skrb i stanovanje. Ova tri aspekta značajno utječu na njihovu spremnost da imaju djecu. Naravno, mikroorganizmi nemaju tolike zahtjeve, niti im trebaju automobili ili kuće. Sve dok vodeni okoliš zadovoljava zahtjeve za temperaturu, otopljeni kisik, pH i hranjive tvari, mogu brzo rasti!

Mikroorganizmi imaju vlastitu krivulju rasta, a proces njihovog rasta mijenja se s dostupnošću hranjivih tvari. U definiranom okruženju, na koje ne utječu vanjski čimbenici, krivulja rasta mikroorganizama odgovara donjem dijagramu. Proces rasta uključuje četiri faze: adaptaciju (fazu prilagodbe), fazu logaritamskog rasta, fazu usporavanja rasta i endogeno disanje. Kada mikroorganizmi uđu u novu okolinu, dolazi do razdoblja prilagodbe tijekom kojeg njihov broj ostaje relativno stabilan.

Krivulja rasta mulja (tj. krivulja rasta mikroba)

Koncentracija mikroorganizama ima početnu vrijednost koja predstavlja količinu mulja dodanog tijekom početnog pokretanja spremnika za biološki tretman. S vremenom se koncentracija mulja postupno povećava. Općenito, koncentracija mulja u spremniku za aerobno biološki tretman može se održavati između 3000-5000 mg/L. Koncentracija mulja ovisi o BPK koncentraciji influenta; što je veća BPK koncentracija, veća je koncentracija mulja koja se može održati.

U stvarnom radu spremnika za biološki tretman, koncentracija mulja se održava između faze usporavanja rasta i faze endogenog disanja. Vidljivo je da koncentracija mulja varira ovisno o načinu rada spremnika za biološki tretman.

U običnoj aeraciji, također poznatoj kao prozračivanje čepnim protokom, onečišćujuće tvari postupno se smanjuju tijekom procesa pogona, a rast mulja kontrolira se tijekom faze usporavanja rasta. Neki se mogu zapitati, kako se to kontrolira? To se postiže mjerama recirkulacije i uklanjanja mulja!

Potpuno miješanje znači da svi dijelovi spremnika za biološki tretman rade pod istim uvjetima (npr. koncentracija onečišćivača, pH, otopljeni kisik itd.). Postupci biološke obrade koji se izvode s prekidima (kao što je ranije spomenuti SBR proces) općenito mogu to dobro postići, a stanje mulja se kontrolira tijekom faze usporavanja rasta.

Produžena aeracija (SRT) koristi vrlo nisku volumetrijsku stopu opterećenja u dizajnu, što rezultira relativno niskom koncentracijom mulja u spremniku za biološki tretman. Ovaj proces djeluje u endogenoj respiracijskoj fazi krivulje rasta, zahtijevajući nisku stopu organskog opterećenja i dugo vrijeme prozračivanja, obično 20-30 dana za SRT i 24 sata za HRT. Ovaj proces općenito ne koristi primarni taložnik.

Krivulja koncentracije otopljenog kisika

Bez vanjskog dodavanja otopljenog kisika, otopljeni kisik u vodi postupno se smanjuje kao što je prikazano na slici. Naravno, otopljeni kisik se mora nadopuniti u spremniku za biološki tretman kako bi se održala relativno konstantna vrijednost.

Krivulja koncentracije onečišćujućih tvari

BPK može donekle izraziti koncentraciju onečišćujućih tvari u vodi (kao što je ranije spomenuto, vrijednosti KPK najbolje se koriste u dizajnu volumena spremnika). S vremenom se koncentracija onečišćivača smanjuje do razine koja se može ispustiti.

Pod prikladnom temperaturom, dovoljnom količinom otopljenog kisika i hranjivih tvari te odsutnošću inhibitornih tvari, odlučujući čimbenik koji kontrolira rast aktivnog mulja je omjer F/M između količine hrane (organske tvari u otpadnoj vodi, također poznate kao supstrat) i količine mikroorganizama (aktivni mulj), na koji također utječu čimbenici kao što su stopa razgradnje organskog supstrata, stopa iskorištenja kisika i flokulacija i adsorpcijska svojstva aktivnog mulja.

Faza prilagodbe (faza prilagodbe): Također se naziva i faza prilagodbe, ovo je početna faza uzgoja aktivnog mulja. Mikroorganizmi se ne razmnožavaju, ali se počinju događati kvalitativne promjene. Ova faza odgovara početnom vodoravnom dijelu krivulje rasta na dijagramu i općenito kratko traje. U kasnijim fazama faze prilagodbe, mikrobni enzimski sustav se postupno prilagodio novoj okolini, individualni razvoj je dosegao određenu razinu, stanice se počinju dijeliti, a mikroorganizmi se počinju razmnožavati.

Faza logaritamskog rasta: Stopa rasta aktivnog mulja se povećava, omjer F/M je relativno velik, organskog supstrata ima u izobilju, a aktivnost aktivnog mulja je visoka. Mikroorganizmi istovremeno najvećom brzinom apsorbiraju organski supstrat i najvećom brzinom sintetiziraju stanice, postižući proliferaciju. U ovoj fazi aktivni mulj ima visoku sposobnost uklanjanja organske tvari, a rast mulja nije ograničen uvjetima hranjivih tvari, već samo koncentracijom mikroba. Međutim, mulj ima loša svojstva flokulacije, teško se taloži i ima slabu učinkovitost obrade.

Stadij usporenog rasta: Stopa rasta aktivnog mulja se smanjuje, omjer F/M nastavlja opadati, a stopa rasta ograničena je organskim hranjivim tvarima. Ovo je tipična radna faza procesa s aktivnim muljem. U ovoj fazi, organska tvar u otpadnoj vodi može se u velikoj mjeri ukloniti, a mulj ima dobra svojstva flokulacije i taloženja.

Stadij endogenog metabolizma: Hranjive tvari su uvelike iscrpljene. U nemogućnosti da dobije dovoljno hranjivih tvari, aktivni mulj počinje koristiti svoje unutarnje skladište, tj. nalazi se u fazi samo-oksidacije. U ovoj fazi mulj ima visok stupanj neorganiziranosti i dobra svojstva taloženja, ali slabu flokulaciju, pa se mulj postupno smanjuje. Međutim, budući da ostaci endogenog disanja uglavnom teško--razgrađuju stanične stijenke i citoplazmu, aktivni mulj ne može potpuno nestati.

Mnogi čimbenici mogu utjecati na rast mikroba, uključujući hranjive tvari, temperaturu, pH, otopljeni kisik i otrovne tvari. Naravno, različite vrste mikroorganizama imaju različite raspone tolerancije na te čimbenike. Uobičajene vrste mikroorganizama u aktivnom mulju uključuju aerobne bakterije (široku kategoriju, koja obuhvaća mnoge potkategorije kao što su nitrificirajuće bakterije), hidrolitičke bakterije, fermentirajuće bakterije, vodikove bakterije, bakterije octene kiseline, metanogene, sulfat-redukcijske bakterije i anaerobne protozoe. Stoga, sve dok se ovi čimbenici drže unutar normalnih raspona, može se postići brz rast mikroba.

Hranjive tvari
Tijekom životnih aktivnosti mikroorganizama, oni moraju kontinuirano apsorbirati esencijalne hranjive tvari iz okolnog vodenog tijela, uključujući: izvore ugljika, izvore dušika, anorganske soli i određene faktore rasta. Otpadne vode koje se pročišćavaju moraju sadržavati dovoljne količine ovih tvari.

Ugljik je važna strukturna komponenta mikrobnih stanica. Mikroorganizmi uključeni u obradu aktivnog mulja imaju relativno visoke potrebe za izvorom ugljika, općenito ne manje od 100 mg/L (izračunato kao BPK5).

Dušik je važan element u sastavu proteina i nukleinskih kiselina unutar mikrobnih stanica. Izvori dušika mogu potjecati od anorganskih spojeva dušika kao što su N2, NH3 i NO3, kao i od organskih spojeva koji -sadrže dušik kao što su proteini i aminokiseline.

Fosfor je bitan element za sintezu nukleoproteina, lecitina i drugih fosfornih spojeva, igrajući ključnu ulogu u metabolizmu mikroba i transformaciji materijala. Koenzim I, koenzim II i adenozin monofosfat (ATP) sadrže fosfor. Mikroorganizmi prvenstveno dobivaju fosfor iz anorganskih spojeva fosfora. Nedovoljni izvori fosfora utjecat će na aktivnost enzima, a time i na fiziološke funkcije mikroorganizama.

Općenito, omjer tri glavna hranjiva (ugljika, dušika i fosfora) je BPK:N:P=100:5:1. Osim toga, elementi u tragovima poput sumpora, natrija, kalija, kalcija, magnezija i željeza također igraju važnu ulogu u procesu rasta mikroorganizama.

Otopljeni kisik

Mikrobne vrste uključene u pročišćavanje otpadnih voda dijele se na aerobne i anaerobne vrste, a radni spremnici uključuju aerobne spremnike, anoksične spremnike, spremnike za hidrolizu i anaerobne spremnike. Na temelju radnog iskustva, koncentracija otopljenog kisika u aerobnom spremniku trebala bi se održavati između 2-4 mg/L. U spremnicima za hidrolizu i anoksičnim spremnicima, koji su fakultativna anaerobna okruženja, dopuštena je određena koncentracija otopljenog kisika, općenito između 0,2-0,5 mg/L. Anaerobni spremnik je strogo anaerobno okruženje; kako bi se osigurali procesi hidrolize i fermentacije, prisutnost otopljenog kisika nije dopuštena.

Otopljeni kisik ključan je za rad uređaja za pročišćavanje otpadnih voda. Ako je otopljeni kisik u aerobnom spremniku prenizak, rast nitrificirajućih bakterija i drugih aerobnih bakterija bit će inhibiran, dok će se filamentozne bakterije brzo razmnožavati, što dovodi do nakupljanja mulja.

pH vrijednost: Fiziološke aktivnosti mikroorganizama usko su povezane s pH okoliša. Mikroorganizmi mogu obavljati normalne fiziološke aktivnosti samo pod odgovarajućim pH uvjetima. Optimalni pH raspon za mikroorganizme uključene u biološku obradu otpadnih voda općenito je između 6,5 i 8,5. Različite skupine bakterija imaju različite raspone tolerancije; hidrolitičke zakiseljujuće bakterije imaju pH raspon između 5,5 i 7,5, dok aerobne bakterije imaju pH raspon između 6,5 i 8,5.

Temperatura
Temperatura je presudna za rast mikroba. Većina mikroorganizama uključenih u obradu aktivnog mulja su termofilni, s optimalnim temperaturnim rasponom od 10-45 stupnjeva. Kako bi se osigurao pravilan rad, temperatura vode u spremniku za biološki tretman općenito se održava između 15-35 stupnjeva; rast mikroba usporava ispod 5 stupnjeva. Nadalje, anaerobne bakterije imaju puno veću temperaturnu toleranciju od aerobnih bakterija, tako da je većina anaerobnih spremnika opremljena izolacijom i uređajima za grijanje.

Otrovne tvari
"Otrovne tvari" odnose se na određene anorganske i organske tvari koje inhibiraju fiziološke aktivnosti mikroorganizama. To uglavnom uključuje ione teških metala (kao što su cink, bakar, nikal, olovo, krom itd.) i neke ne-metalne spojeve (kao što su fenoli, aldehidi, cijanidi, sulfidi itd.). Toksični učinci otrovnih tvari na mikroorganizme su kvantitativni; toksičnost i inhibicija postaju vidljivi tek kada otrovna tvar dosegne određenu koncentraciju u okolišu. Sve dok je koncentracija različitih toksičnih tvari u otpadnoj vodi ispod ove razine, fiziološke funkcije mikroorganizama nisu pogođene.

Mikrobno uklanjanje i razgradnja onečišćujućih tvari uglavnom se oslanja na dva procesa: adsorpciju i metabolizam (asimilacija i disimilacija).

Proces adsorpcije: Unutar kratkog razdoblja nakon što otpadna voda dođe u kontakt s aktivnim muljem i pomiješa se s njim, organski zagađivači u vodi pokazuju visoku stopu uklanjanja. Ovaj početni-fenomen uklanjanja velike brzine rezultat je kombinacije fizičke i biološke adsorpcije. Tijekom ovog procesa, organski supstrat u miješanoj tekućini se brzo smanjuje. To je zato što aktivni mulj ima veliku površinu i obogaćen je velikim brojem mikroorganizama na svojoj površini, prekrivenoj polisaharidima-bogatim viskoznim slojem. Kada suspendirani i koloidni organski supstrati u otpadnoj vodi dođu u dodir s pahuljicama aktivnog mulja, brzo se koaguliraju i adsorbiraju, što je fenomen poznat kao "početna adsorpcija".

Početni proces adsorpcije odvija se vrlo brzo, općenito dovršen unutar 30 minuta. Stopa adsorpcijskog uklanjanja BPK otpadne vode može doseći 70%, a za otpadnu vodu koja sadrži veliku količinu suspendirane i koloidne organske tvari, BPK se može smanjiti za 80%-90%. Početna brzina adsorpcije prvenstveno ovisi o aktivnosti mikroorganizama i stupnju hidrauličke difuzije i hidrauličke dinamike unutar reaktora. Prvi određuje učinkovitost adsorpcije i flokulacije mikroorganizama aktivnog mulja, dok drugi određuje stupanj kontakta između flokula aktivnog mulja i organskog supstrata.

Metabolički proces: Organski zagađivači adsorbirani na površini mikrobnih stanica aktivnog mulja se metaboliziraju. Otopljena organska tvar malih-molekula izravno prodire kroz staničnu stijenku u stanicu pod djelovanjem permeabilizirajućih enzima, gdje se podvrgava metabolizmu. Koloidna i suspendirana velika{3}}molekulska organska tvar, poput škroba i proteina, prvo se hidrolizira u otopljene male molekule izvanstaničnim enzimima-hidrolazama-prije ulaska u stanicu. Jednom kada uđu u stanicu, organski zagađivači postupno se oksidiraju i razgrađuju u stabilne anorganske produkte, kao što su CO2 i H2O, pod katalizom raznih unutarstaničnih enzima, oslobađajući energiju za staničnu sintezu. U tom se procesu organska tvar transformira u jednostavne, stabilne anorganske tvari kroz biokemijske reakcije, postižući uklanjanje zagađivača.