BIOLOŠKA (SEKUNDARNA)OBRADA OTPADNE VODE

1. BIOLOŠKA (SEKUNDARNA)OBRADA OTPADNE VODE Dr.sc. Jasmina Ibrahimpašić, docent

2. BIOLOŠKA OBRADA OTPADNE VODE • Sekundarna ili biološka obrada obuhvaća biološke postupke u kojima se djelovanjem mikroorganizama uklanjaju; • otopljeni organski sastojci (izvori ugljika i energije) • anorganski sastojci (izvori dušika i fosfora), • suspendirane čestice (koloidne čestice) preostale nakon primarne obrade otpadne vode.

3. U sekundarnoj obradi otpadne vode, ovisno o porijeklu, za uklanjanje otopljenih sastojaka primjenjuju se biološki aerobni i anaerobnipostupcitemeljeni na različitom odnosu mikroorganizama prema otopljenom kisiku. U provedbi bioloških postupaka obrade otpadne vode sudjeluju različiti organizmi, a efikasnost provedbe bioloških procesa ovisi o biološkoj aktivnosti mikroorganizama.

4. Biološka aktivnosti mikroorganizama ovisi o nizu fizikalno-hemijskih postupaka: Potrebi za atmosferskim kisikom ili ugljik(IV)oksidom Temperaturi pH vrijednosti Osmotskom tlaku Vrsti i koncentraciji hranjivih sastojaka u otpadnoj vodi kao hranjivom supstratu 6. Parcijalnom tlaku plina 7. Redoks potencijalu Svaki od ovih parametara je karakterističan za pojedinu vrstu m.o., kao i drugih organizama koji doprinose efikasnosti biološke obrade otpadne vode.

5. 1. Potreba za atmosferskim kisikom ili ugljik (IV) oksidom • Mikroorganizmi se svrstavaju u grupe, ovisno o potrebnom kisiku: • obavezni aerobi • fakultativni anaerobi • anaerobi • obavezni (striktni) anaerobi, a unutar tih skupina; • aerotelerantni anaerobi • mikroaerofili

6. Aerobni mikroorganizmi trebaju molekularni kisik za svoje procese metabolizma. Anaerobni mikroorganizmi žive bez prisustva kisika i crpe energiju iz organske materije. Fakultativni mikroorganizmi mogu djelovati u prisustvu kao i u odsustvu kisika. Aerotolerantni anaerobi mogu rasti u prisutnosti kisika, ali ga nae upotrebljavaju i on ne utječe na njihovu biohemijsku aktivnost. Mikroaerofili su mikroorganizmi koji za svoju biohemijsku aktivnost trebaju niske koncentracije otopljenog kisika.

7. S obzirom na takvu podjelu mikroorganizama razlikujemo • aerobne i • anaerobne biološke postupke obrade otpadne • vode.

8. 2. Temperatura • U prirodi, ovisno o temperaturi obitavaju tri osnovne grupe mikroorganizama: • Psihrofili (rastu od 0-25◦C, max brzina rasta pri 12-15 ◦C) • Mezofili (rastu od 12-45◦C, max brzina rasta pri 28-32 ◦C) • Termofili (rastu od 42-80◦C, max brzina rasta pri 60-70 ◦C)

9. 3. pH vrijednost okoliša • Većina bakterija obitava pri pH- vrijendosti okoliša od 7-9, odnosno pri neutralnom ili slabo lužnatom pH-području. • Neke vrste bakterija metabolizmom proizvode organske ili anorganske kiseline (niže masne kiseline ili sulfatnu kiselinu, npr.), a pripadaju grupi acidofila ili kiselinskih bakterija.

10. Bakterije koje razgrađuju ureu (NH2CONH2), prevode je u vodenom okolišu u amonij-hidroksid (NH4OH), pri čemu je pH-vrijednost okoliša 6-7. • Većina drugih m.o. alge i plijesni npr. obitavaju u neutralnom pH-području okoliša. • Gljive i kvasci dobro rastu u blago kiselom pH- području okoliša.

11. 4. Osmotski tlak • Osmotski tlak je snaga vodenog okoliša kojom molekule hranjiva i vode prodiru kroz membranu mikrobne stanice do izjednačenja tlaka u stanici i okolišu. • Osmotski tlak je proporcionalan koncentraciji otopljenih sastojaka u supstratu. • Neke bakterijske vrste mogu rasti samo pri povišenom osmotskom tlaku, npr. morske bakterije. • Neke bakterijske vrste mogu rasti samo pri povećanoj koncentraciji otopljenih soli (tzv. halofili).

12. 5. Otopljeni sastojci u otpadnoj vodi kao hranjivom supstratu • Otpadna voda je hranjivi supstrat samo ako su u njoj prisutni otopljeni sastojci organskog i anorganskog porijekla, koje m.o. upotrebljavaju kao izvore ugljika, dušika, fosfora za rast i biohemijsku aktivnost. • M.o. mogu koristiti heterotrofne (organske) i autotrofne (anorganske)sastojke.

13. Heterotrofne (organske) sastojke koriste heterotrofni mikroorganizmi, tzv. kemoheterotrofi. • Autotrofne (anorganske) sastojke, npr. ugljik (IV)oksid za dobivanje energije koja je neophodna za sintezu ugljikohidrata koriste autotrofni mikroorganizmi tzv. kemoautotrofi.

14. Otpadna voda kao hranjivi supstrat • Različite vrste organizama razgrađuju i upotrebljavaju otopljene sastojke iz otpadne vode, kao hranjivi supstrat. • Da bi se razgradnja otopljenih sastojaka iz otpadne vode provodila istovremeno i efikasno, organizmi trebaju djelovati kao mješovite mikrobne zajednice temeljene na različitim zakonitostima njihovog međudjelovanja.

15. U biološkoj obradi otpadnih voda najveću biohemijsku aktivnost imaju bakterije, zbog njihovog brzog rasta, kao i raznolikog enzimnog potencijala za razgradnju sastojaka različitih hemijskih struktura u otpadnoj vodi. Osim bakterija, u mješovitoj mikrobnoj zajednici prisutne su i druge vrste mikroorganizama; kvasci, alge, protozoe i metazoe. Sve navedene vrste čine mikrobnu zajednicu aktivnog mulja.

16. Bakterije • Bakterije mogu imati različite oblike; kugličaste ili jajolike (coccus), štapićaste (bacillus), spiralni, zvjezdasti oblik i sl. • Slika 1. Različiti oblici bakterijskih stanica

17. Slika 2. Spirili u aktivnom mulju

18. Slika 3. Spirohete u aktivnom mulju

19. Kvasci • Nalaze se u aktivnom mulju, te koriste kao izvore ugljika i energije jednostavne organske sastojke, npr. ugljikohidrate, niže masne kiseline i alkohole iz otpadne vode pri slabo kiseloj pH vrijednosti vodenog okoliša. • Kvasci su jednostanični oblici gljiva čije su stanice jajolikog oblika i mnogo su veće od bakterija.

20. Kvasci u obliku micelija (isprepletene mreže hifa ili fungalnih filamenata) obitavaju u aktivnom mulju industrijskih otpadnih voda u kojima su prisutni sastojci složene hemijske strukture.

21. Protozoe (praživotinje) • Protozoe su uobičajeno prisutne u aktivnom mulju. Hrane se organskim sastojcima iz vodenog okoliša (gutaju ih ili apsorbiraju) ili se hrane živim organizmima npr. bakterijama koje nisu uvezane u nkaupine aktivnog mulja. Na taj način doprinose boljoj taloživosti mulja i bistroći otpadne vode. • Protozoe su jednostanični organizmi koji se svrstavaju u grupe prema načinu kretanja . Npr. amebe se pokreću širenjem vlastite citoplazme, dok ostale protozoe imaju flagele ili cilije (kratki dodaci). Mogu biti vezane ili slobodno plivajuće.

22. Slika 4. Ameba u aktivnom mulju

23. Slika 5. Slobodnoplivajuće cilijate u aktivnom mulju

24. Metazoe • Metazoe su višestanični organizmi koji pripadaju grupi nižih životinja čije prisustvo ovisi o količini protozoa, jer se njima hrane. Mnoge vrste metazoa su zastupljene u aktivnom mulju, npr. rotifere, nematode (crvi) i krustacije (Daphnia sp.)

25. Slika 6. Rotifera u aktivnom mulju

26. Alge • Alge su prisutne u aktivnom mulju kada je dovoljno svijetla i hranjiva. • Pripadaju grupi fotosntetskih eukariota, pojavljuju se u velikom broju oblika. • Fotosintezom proizvode kisiki ugljikohidrate koje koriste drugi organizmi ukljičujući i životinje.

27. Navedene vrste organizama prisutne su u aktivnom mulju u aerobnim ili fakultativno anaerobnim uvjetima, dok su neke bakterije fakultativni anaerobi, npr. metanogene bakterije. U biološkim procesima obrade otpadnih voda, ovisno o koncentraciji otopljenog kisika, prisutne su mikrobne zajednice u formi aerobnog ili anaerobnog aktivnog mulja.

28. AKTIVNI MULJ nastaje međusobnim povezivanjem bakterija, kvasaca, algi protozoa, metazoa i sa suspendiranim česticama (preostalih nakon prethodne i primarne obrade otpadne vode) u veće ili manje nakupine, koje se zovu PAHULJICE ili FLOKULE. Međusobno povezivanje potpomognuto je raznim tvarima, polisaharidima koje izlučuju pojedini m.o., a mogu služiti i kao pomoćne tvari kao rezervni izvori ugljika i energije, kada su niske konc. topljene tvari pri obradi otpadnih voda.

29. Kako bakterije prečišćavaju vodu? • Hraneći se organskim tvarima iz vode, u prisustvu kisika, bakterije razlažu organsku tvar na ugljik (IV)oksid i vodu i pri tom dio organske tvari ugrađuju u sopstvenu biomasu. • Bakterijske stanice bi bilo teško odvojiti od prečišćene vode da nemaju jednu vrlo važnu osobinu - sklonost da se udružuju. • Mikroorganizmi se udružuju u flokule - pahuljičaste strukture koje se sastoje od živih i mrtvih stanica mikroorganizama i produkata njihovog metabolizma.

30. Ovakve strukture se talože, omogućavajući da u taložnicima odvojimo prečišćenu vodu od formiranog mulja. Bakterije nisu jedini stanovnici aktivnog mulja. U procesu prečišćavanja pridružuju im se i drugi organizmi - gljive, praživotinje i višestanične životinje. Slobodnoplivajuće cilijate (trepljari) se hrane pojedinačnim bakterijskim stanicama i na taj način doprinose da se voda "izbistri".

31. Puzeće cilijate "brste" bakterije sa površine flokula. Na taj način doprinose formiranju postojanih flokula pravilnijeg oblika koje se bolje talože. Pričvršćene cilijate filtriraju vodu. Trepljari su "drškom" pričvršćeni za flokulu, hrane se tako što radom treplji usmjeravaju vodu sa česticama hrane i filtriraju je. Vrste iz roda Vorticella su česti stanovnici aktivnog mulja

32. U aktivnom mulju žive i višestanične životinje. Vrste Rotifera (Rotatoria), inače česte u površinskim vodama i vlažnim staništima, u aktivnom mulju se javljaju povremeno i, kao i ostali stanovnici aktivnog mulja, hraneći se doprinose stabilizaciji flokula. Neki organizmi, osim što učestvuju u procesima prečišćavanja mogu da nam posluže kao bioindikatori - pokazatelji stanja u sistemu, i pruže nam korisne informacije za poboljšanje upravljanja tehnologijom.

33. Prisustvo ameba, npr. ukazuje da je sistem preopterećen i bogat lakorazgradivim organskim tvarima. Spirili i spirohete (bakterije spiralnog oblika) su također indikatori organske opterećenosti i deficita (manjka) kisika. Raznovrsnost cilijata, naročito pričvrščenih, obično ukazuje na povoljno stanje u sistemu. Neki od pričvršćenih cilijata, kao npr. Carchesium, žive u kolonijama

34. Nisu svi mikroorganizmi poželjni u uređajima za prečišćavanje. Neki od njih mogu da otežaju procese prečišćavanja ili nepovoljno utječu na prečišćavanje "zauzimajući mjesto" drugim, "korisnijim" organizmima. Vlaknaste (končaste, filamentozne) bakterije, npr., svojim spletom vlakana mogu da otežaju prečišćavanje. Konci koji vire iz flokula ometaju njihovo taloženje i dovode do isplivavanja flokula.

35. Neke vlaknaste bakterije, naročito ako su razgranatog oblika, mogu da izazovu stvaranje pjene, što također otežava taloženje.

36. AEROBNI BIOLOŠKI PROCESI PREČIŠĆAVANJA • Danas se u obradi otpadnih voda najčešće koriste aerobni biološki procesi i to: • postupak aktivnog mulja, • biološka filtracija, • bio-diskovi i • aerobne / fakultativne lagune

37. Metoda aktivnog mulja • Nakon primarnog pročišćavanja otpadna voda ulazi u bazene s biološki aktivnim muljem. • Otpadne vode se aeriraju stvarajući uvjete pogodne za intenzivni proces biorazgradnje (redukcija sadržaja organske tvari oko 95%). Nakon aeracije, slijedi taloženje gdje se odvaja biomasa – mikrobiološki mulj od efluenta. Dio mulja se vodi natrag u proces (aktivni mulj) gdje služi kao aktivator biološkog procesa, a zaostali se izdvaja u sekundarnom taložniku.

38. Tehnologijaaktivnogmulja • Budućida se u otpadnimvodamanalazismjesarazličitihorganskihtvari (kompleksnihsupstrata), pribiološkompročišćavanju se koristivišekulturaraznihvrstamikroorganizama s različitimgeneracijskimvremenimairazličitimspecifičnimbrzinamarasta (aktivnimulj). • Uspjehobradeotpadnihvodaovisiisključivo o rastuimetabolizmumikroorganizama. Hemijskeaktivnostimikroorganizamaodgovornesuzastabiliziranjekonačnogtekućegostatka, alinijemogućeodreditikojisumikroorganizmiodgovornizapojedinepromjene.

39. Proces s aktivnim muljem zovese po masi mikroorganizama koji se nalaze u mulju pročišćene vode, koji u aerobnim uvjetima mogu razgrađivati organske tvari u otpadnim vodama. • U današnje vrijeme taj se proces najčešće primjenjuje na uređajima za pročišćavanje komunalnih otpadnih voda, jer je najsličniji procesima samopročišćavanja vode u prijemniku, ali istodobno uz intenzivniju aeraciju. • Pojmom "aktivni mulj"označava se kompleksna biocenoza aerobnih i fakultativni aerobnih mikroorganizama, koja je sastavljena od različitih skupina bakterija i drugih organizama.

40. Slika 7. Shema postupka s aktivnim muljem

41. Otpadna voda koja se pročišćava ulazi u biološki reaktor u kojemu su suspendirani mikroorganizmi. U reaktoru se na odgovarajući način dodaje zrak (ili kisik) uz istodobno potpuno miješanje otpadne vode, čime sespriječava taloženje i ubrzava kontakt hranjive tvari i mikroorganizama. Smjesa starih i novih stanica s otpadnom vodom se uvodi u naknadni taložnik.

42. Dio istaloženog mulja (aktivni mulj) vraća se u biološki reaktor kako bi se povećala koncentracija mikroorganizama u biološkom procesu, a dio (“višak mulja”) se izdvaja iz procesa i prije konačnog odlaganja odvodi na obradu mulja. Na taj se način u postupku obnavljaju nove stanice mikroorganizama, a stare odvode iz sistema.

43. Proces se odvija u tri faze: • adsorpcijom koloidnih i otopljenih tvari na pahuljama aktivnog mulja. Proces teče jednako brzo, od 1,5 do dvije minute, uz najveće opterećanje BPK5 koje se u daljnjim fazama smanjuje. • Faza razgradnje ugljikovih spojeva, u kojoj se odvija oksidacija i redukcija organskih tvari na ugljikov dioksid i vodu (CO2 i H2O). • Nitrifikacijska faza, u kojoj se odvija oksidacija i redukcija dušika. Taj proces teče sporo i zbog dodatnih troškova često se ne dovršava, nego se otpadna voda ispušta u prijemnik gdje završava proces.

44. Dio mulja se vodi natrag u proces (aktivni mulj) gdje služi kao aktivator biološkog procesa. • Zreli mulj se odvodi na uređaj za obradu mulja. • Postupak se zasniva na velikoj mikrobiološkoj gustoći uz intenzivno miješanje u suspenziji s otpadnom vodom pri aerobnim uvjetima.

45. Bioreaktor i taložnik • Sistemi koji čine bioreaktor i taložnik za održavanje aerobnih uvjeta, a definirani su potrebnom koncentracijom otopljenog kisika, mogu koristiti čisti kisik ili zrak. • Sistemi u kojima se obrađuje otpadna voda sa složenim hemijskim strukturama, za čiju biorazgradnju je potrebna veća konc. otopljenog kisika, koriste zatvorene bioreaktore za upuhavanje čistog kisika.

46. Uobičajeno je da su upotrebi sistemi koji osiguravaju potrebne kol. otopljenog kisika u razl. tipovima bioreaktora koji nisu zatvoreni, sa razl. izvedbom sisitema za prozračivanje. • Biorektori sa unosom zraka mogu biti četvrtastog ili okruklog oblika, napravljeni od betona ili metala, opremlčjeni sistemom za površinsko ili dubinsko prozračivanje sa unosom zraka pod atmosferskim ili povećanim tlakom.

47. Najčešće su u upotrebi bioreaktori betonski, četvrtastog oblika, pregrađeni u manje jedinice, kako bi se osiguralo dobro i potpuno miješanje i dotok O.V. i pahuljica i izbjeglo stvaranje “mrtvih džepova”- gdje se nagomilana biomasa mulja raspada, uzrokuje pjenjenje i neugodan miris u okolišu.

48. Slika 7. Aerobni bioreaktor, četvrtastog oblika, betonski, pregradama podijeljen u manje jedinice

49. Za obradu manjih količina O.V. koriste se bioreaktori okruglog oblika, metalni, sa površinskim prozračivanjem. • U primjeni su i bioreaktori za razgradnju lako razgradivih sastojaka iz o.v., koji mogu biti okrugli ili jajoliki, otvoreni, betonski, s taložnikom u sredini. • Unos kisika se postiže površinskim ili dubinskim prozračivanjem.

50. Slika 8. Aerobni bioreaktor, okruglog oblika, betonski, s taložnikom u sredini.