Разбиране на активната утайка (I) – произход, структура, микробна общност и показатели за ефективност

Въведение: Днес нека научим за главния герой на биологичното третиране – активната утайка (носител на различни микроорганизми). Той играе решаваща роля в процесите на биологично третиране, като премахва замърсители като ХПК, амонячен азот, общ азот и общ фосфор от отпадъчните води чрез различните микроорганизми в утайката. Тези, които са посетили пречиствателни станции за отпадни води, усещат лека миризма на кал; това е миризмата на активна утайка!

Активната утайка е открита за първи път през 1912 г. от Кларк и Гейдж в Обединеното кралство в резултат на малък експеримент. В експеримента продължителната аерация на отпадъчните води е образувала утайка и качеството на водата значително се е подобрило. Впоследствие Arden и Lockgtt изучават този феномен.

Експериментите с аериране бяха проведени в бутилки. В края на всеки ден от експеримента бутилките се изпразват и процесът започва отново на следващия ден. Те случайно откриха, че тъй като бутилките не са добре почистени, ефектът от обработката всъщност е по-добър, когато утайката полепне по стените на бутилката. Осъзнавайки значението на утайката, останала по стените на бутилката, те я нарекоха активна утайка.

Впоследствие, преди края на експеримента за всеки ден, те оставят аерираната отпадъчна вода да се утаи, като изхвърлят само горния слой пречистена вода и оставят утайката на дъното за използване на следващия ден. Това значително съкрати времето за пречистване на отпадъчните води.

През 1916 г. първата пречиствателна станция за отпадъчни води с активна утайка е построена с помощта на този експериментален процес.

Активната утайка е флокулентно вещество, образувано от смес от микробни общности като бактерии, гъбички, протозои и метазои със суспендирани и колоидни вещества в отпадъчните води. Има силна способност да адсорбира и разгражда органични вещества и добри свойства на утаяване и притежава биохимична активност.

Флокулите и нишковидните бактерии са важни компоненти на активната утайка.

Флокулите се образуват от агрегацията на бактерии със слуз или капсули. Те адсорбират примеси и свободни микроорганизми в отпадъчните води, придавайки на активната утайка отлични свойства за утаяване и предпазвайки микроорганизмите в отпадъчните води от поглъщане или отравяне.

Нишковидните бактерии образуват скелета на активната утайка. Те растат и се удължават под прикрепването на флокулите, карайки флокулите да образуват по-големи частици, като същевременно поддържат рохкавостта на активната утайка.

На външен вид активната утайка обикновено е жълта или кафеникаво-жълта. То става черно, когато снабдяването с кислород е недостатъчно или анаеробно, и сиво-бяло, когато снабдяването с кислород е прекомерно и хранителните вещества са недостатъчни. Активната утайка има високо съдържание на вода, обикновено над 99%, и нейната плътност е подобна на тази на водата, обикновено 1,002–1,003 kg/L.

В микроорганизмите с активна утайка протозоите се хранят с бактерии, докато метазоите се хранят както с протозои, така и с бактерии, образувайки хранителна верига и балансирана биологична общност. Бактериите от активната утайка често съществуват под формата на флокули, като по-малко съществуват в свободно състояние. Това дава на бактериите способността да се противопоставят на неблагоприятните външни фактори. Свободните бактерии не се утаяват лесно, но могат да бъдат нападнати от протозои, като по този начин правят отпадъчните води от резервоара за утаяване по-чисти.

1. Бактерии

Бактериите са едно-клетъчни организми. Те са разнообразни, многобройни и малки по размер в активната утайка, притежаващи силна способност да адсорбират и разлагат органични вещества, играейки решаваща роля при пречистването на отпадъчни води.

В ранните етапи на култивирането на активната утайка бактериите са до голяма степен свободни в отпадъчните води. Тъй като утайката постепенно се образува, те постепенно се събират в по-големи групи.

(1) Флокули: Това са малки, видими частици, съставени от бактерии и техните секретирани желатинови вещества. Повечето бактерии в активната утайка са обвити в желатинови вещества, съществуващи под формата на флокули. Флокулите са структурен и функционален център на активната утайка, притежаваща свойства като адсорбция, окислително разлагане и коагулационна седиментация.

(2) Нишковидни бактерии: Това са вид бактерии, чиито клетки, със или без капсиди, са свързани заедно, за да образуват нишки. Нишковидните бактерии често се прикрепят към бактериалните флокули и се преплитат с тях, образувайки скелета на замърсяващата утайка. Въпреки това, когато се размножават в големи количества, те могат да влошат свойствата на флокулация и утаяване на активната утайка и в тежки случаи да причинят натрупване на утайка.

(3) Нитрифициращи бактерии Нитрифициращите бактерии са вид автотрофни бактерии, които могат да разграждат амоняка и нитритите. Те включват две физиологични подгрупи: *Нитрифициращи бактерии* и *Нитрифициращи бактерии*, които принадлежат към независимо семейство-Семейство нитрифициращи бактерии. Нитрифициращите бактерии получават енергия, за да задоволят своите метаболитни нужди, като окисляват неорганични съединения чрез нитрификация, използвайки CO2 като единствен източник на въглерод. Те са типични хемоавтотрофни бактерии. Нитрифициращите бактерии притежават нитрификация, която се отнася до процеса, чрез който нитрифициращите бактерии окисляват NH3 до NO2- при аеробни условия и допълнително го окисляват до NO3-, като по този начин получават енергията, необходима за растеж. Първият етап, окисляването на NH3 до NO2-, се нарича нитрификация или амонячно окисление и се завършва от нитрифициращи бактерии; вторият етап, окислението на NO2- до NO3-, се нарича нитрификация и се завършва от нитрифициращи бактерии. Следователно, често обсъжданата нитрификация всъщност включва два етапа: нитрификация от нитрит-окисляващи бактерии и нитрификация от нитрифициращи бактерии.

(4) Денитрифициращи бактерии: Денитрифициращите бактерии са хемохетеротрофни бактерии. При условия на -недостиг на кислород те редуцират нитратите до нитрити и допълнително редуцират нитритите до азотен газ, като по този начин получават енергия. Това по същество е обратното на функцията на нитрифициращите бактерии (природата е интересна по този начин; два различни вида бактерии постигат азотния цикъл). Денитрифициращите бактерии са широко разпространени в почвата и отпадъчните води, като играят основна роля в пречистването на водата в ландшафта, управлението на градските реки и пречистването на аквакултурите.

(5) Хидролитични подкисляващи бактерии: Това са бактерии, които могат да използват големи, сложни органични молекули за жизнени дейности в анаеробни среди. Хидролизата е процесът, при който сложни, неразтворими полимери се превръщат в прости разтворими мономери или димери. Поради голямото си относително молекулно тегло, органичната материя с високо -молекулно- тегло не може да премине през клетъчните мембрани и следователно не може да бъде директно използвана от бактериите. Те първо се превръщат в по-малки молекули чрез хидролитично действие на бактериални извънклетъчни ензими. Най-типичната характеристика на този етап е, че биологичната реакция протича извънклетъчно. Бактериите завършват реакциите на биокаталитично окисление чрез освобождаване на извънклетъчни свободни ензими или имобилизирани ензими, прикрепени към клетъчната стена.

И така нататък... има много видове бактерии, така че ще спра дотук засега. Подробно представяне на отделни бактериални видове може да бъде предоставено по-късно.

2. Протозои

Протозоите са малки, прости, едноклетъчни-ниво-животни. Голям брой протозои съществуват в активната утайка от пречистване на отпадъчни води. Те участват в пречистването на отпадъчните води чрез поглъщане на органични частици. Освен това, тъй като протозоите са чувствителни към условията на околната среда, техният състав и количество се променят с промените в околната среда; следователно те често се използват като индикаторни организми. Често срещани примери включват вихрички, амеби, флагелати и плуващи реснички. Тези микроорганизми представляват повече от 80% от общия брой. Ако броят на индивидите надвишава 1000/mL, трябва да се счита за активна утайка с висока ефективност на пречистване.

3. Микрометазои

Основните микрометазои в активната утайка са ротиферите и нематодите. Като цяло броят на микроскопичните метазои в активната утайка е относително малък. Въпреки това, в активната утайка с ниско{2}}натоварване, особено в активната утайка с продължителна аерация, ротиферите и олигохетите понякога могат да станат доминиращи видове.

04 Индикатори за ефективност на активната утайка Микробната общност включва главно бактерии, протозои и метазои, като бактериите и протозоите са двете основни категории. Индикаторите за ефективност на активната утайка включват: смесени твърди вещества в суспензия от течност (MLSS), коефициент на утаяване на утайката (SV), индекс на обем на утайката (SVI) и индекс на плътност на утайката (SDI).

Суспендирани твърди вещества от смесена течност (MLSS) представлява общото тегло на твърдите вещества от активната утайка, съдържащи се в единица обем смесена течност в аерационен резервоар, т.е.

MLSS=Ma + Me + Mi + Mii

Ma – Метаболитно активната микробна общност;

Me – Остатъци от ендогенен метаболизъм и само-окисляване на микроорганизми (предимно бактерии);

Mi – Инертна органична материя, която е трудна за разграждане от бактериите, пренасяна от суровите отпадъчни води;

Mii – Неорганични вещества, пренасяни от отпадъчните води.

Единицата е mg/L или kg/m³.

Летливи суспендирани твърди вещества в смесена течност (MLVSS) представлява концентрацията на органични твърди вещества в активната утайка на смесената течност, т.е.

MLVSS=Ma + Me + Mi

Съотношението на MLVSS към MLSS се изразява като f. При нормални обстоятелства стойността на f е относително фиксирана, около 0,75 за битови отпадъчни води.

Както MLVSS, така и MLSS могат да се използват за отразяване на концентрацията на утайки в резервоарите за биологично третиране. Ежедневните сравнения на данни могат да разкрият растежа на активната утайка. MLVSS обаче изключва неорганичната материя, което прави стойността й по-близо до действителния брой микроорганизми.

Скоростта на утаяване на утайката (SV), известна също като 30-минутна скорост на утаяване, е процентът от обема на утаената утайка, образувана след като смесената течност се е утаила в градуиран цилиндър за 30 минути, изразен като процент (%).

В ранните етапи на култивирането на активната утайка, скоростта на утаяване може да се използва за първоначално наблюдение на растежа на утайката. Обикновено нормалната, стабилна активна утайка SV е между 20-35%. По-нисък SV показва недостатъчна концентрация на утайка, докато по-висок SV показва прекалено бърз растеж на утайката (прекомерно количество хранителни вещества, вероятно поради прекомерен източник на въглерод).

Индексът на обема на утайката (SVI), известен също като индекс на утайката, е обемът на утаената утайка (в mL) на грам суха утайка след 30 минути утаяване в смесената течност на изхода на аерационния резервоар. Формулата за изчисляване на индекса за обем на утайката е:

SVI=SV/MLSS

SVI се използва за оценка на ефективността на утаяване на утайката и неговият нормален диапазон обикновено е между 70 и 150 mL/g. Ниската стойност на SVI показва ниска активност на утайката и високо съдържание на неорганични вещества; високата стойност на SVI показва потенциално натрупване на утайки и лошо утаяване.

Индексът на плътност на утайката (SDI), обикновено наричан плътност, е реципрочната стойност на SVI.