Rola organizmów w osadzie czynnym
Realizacja od początku lat 90-tych polityki ekologicznej państwa, zaostrzanie wymagań proekologicznych wobec podmiotów korzystających ze środowiska, wdrażanie - w ramach restrukturyzacji i modernizacji gospodarki - nowoczesnych technologii mających z reguły charakter przyjazny dla środowiska, utrwaliło tendencje zmniejszania emisji zanieczyszczeń do środowiska i poprawy jego stanu.
W ostatnich latach najwięcej środków wydano na ochronę wód - 53,1% (w tym na budowę komunalnych oczyszczalni ścieków - 19,5%, a sieci kanalizacyjnej - 28,9%). Oddano do eksploatacji 262 oczyszczalnie ścieków komunalnych i przemysłowych o łącznej przepustowości 0,6 mln m3/dobę, tj. o 41,6% mniejszej niż w 2000 r. (w tym przepustowość oczyszczalni biologicznych, chemicznych i o podwyższonym stopniu usuwania biogenów stanowiła 75,6%).. Ponadto przekazano do eksploatacji 4,2 tys. km sieci kanalizacyjnej odprowadzającej ścieki (w 2000 r. - 4,7 tys. km) oraz 437 km sieci kanalizacyjnej na wody opadowe .
Ponieważ Polska należy do najuboższych w zasoby wodne krajów Europy i nadal posiada duży stopień zanieczyszczenia wody w wielu regionach, bardzo istotne jest podejmowanie kroków mających na celu zmniejszenie ilości ścieków nie oczyszczanych oraz poprawienie technologii ścieków oczyszczanych.
Przeciętna oczyszczalnia ścieków składa się z reguły z części mechanicznej, biologicznej i części dotyczącej przeróbki osadu.
Do urządzeń mechanicznych zalicza się kraty, zatrzymujące duże zanieczyszczenia, piaskowniki, oddzielające piasek, oraz osadniki wstępne w których dzięki zmniejszonej prędkości osadzają się zawiesiny.
Ścieki po tej części są pozbawione większości zawiesin, posiadają głównie substancje rozpuszczone i dostają się do reaktorów części biologicznej gdzie mieszają się z osadem czynnym. W reaktorach biologicznych z uwagi na konieczność inicjowania różnych reakcji biochemicznych tworzy się strefy: beztlenową, niedotlenioną oraz natlenioną. Dzięki temu ze ścieków usuwane są obok związków organicznych również biogeny. Ostatnim etapem części biologicznej są osadniki wtórne , w których zachodzi oddzielanie osadu czynnego od ścieków oczyszczonych na zasadzie sedymentacji.
Część powstającej biomasy osadu jest zawracana na początek układu (osad recyrkulowany) a część kierowana do komór przeróbki osadu (osad nadmierny). Ale oczywiście na nic zdałyby się te wszystkie urządzenia gdyby nie było w nich licznych mikroorganizmów wchodzących w skład osadu czynnego.
Osad czynny to brunatna zawiesina łatwoopadajaca, w której częścią strukturalną jest tzw. kłaczek, zbudowany głównie z bakterii śluzowych- Zooglea spp. Bakterie te dzięki swojej budowie i właściwościom odgrywają istotną rolę w tworzeniu kłaczkowatej struktury osadu czynnego poprzez flokulację substancji koloidalnych i zawiesin w ściekach.
Komórki Zooglea spp. są Gram ujemne, wielopostaciowe z wiekiem. Młode komórki są ruchliwe , posiadaja długa wyprostowaną wić, natomiast stare komórki zawierają w kapsułach kwas polihydroksymasłowy ( PHB) wydzielany na zewnatrz w formie palczastej struktury.
Poza licznymi komórkami Zooglea spp. W osadzie występuje duża róznorodność innych gatunków bakterii. Unz i Dondero (1970) identyfikowali 203 gatunki , w tym 56 gatunków nie wytwarzało bioflokulantów, a więc nie przyczyniało nię do tworzenia kłaczków.
Głównym źródłem bakterii w osadzie czynnym są odchody ludzi i zwierząt, jednak nie tylko.
Stosunkowo liczna grupa mikroorganizmów pochodzi ze scieków przemysłowych oraz gleby. Bakterie poza własciwościami osadotwórczymi jako organizmy heterotroficzne, utleniają określone substancje organiczne i prowadzą proces mineralizacji ścieków, a więc rozkład zanieczyszczeń wielkocząsteczkowych. Występują także bakterie chemoautotroficzne - nitryfikacyjne dzięki którym zachodzi znany proces nitryfikacji i ścieki zostają oczyszczone z trującego amoniaku. Tak więc bakterie skupione w kłaczek spełniający rolę minireaktora przeprowadzają niezbedne procesy przemian biochemicznych.
Osobną grupę stanowią bakterie rosnące w postaci nitek zwane bakteriami nitkowatymi. W przypadku gdy populacja nitkowatych nie dominuje, a pojedyncze nitki stanowią rusztowanie kłaczka mówi się o pozytywnym działaniu tych organizmów ponieważ poprawiają spójność kłaczków. Jednak często dochodzi do masowego występowania tych organizmów i wtedy pojawiają się kłopoty z sedymentacją i osad zaczyna puchnąć. Utrudniona sedymentacja rodzi kłopoty z separacją osadu od ścieków oczyszczonych i jest to zjawisko niepożądane. Ponadto pewna grupa organizmów nitkowatych z uwagi na silnie hydrofobową powierzchnię nitek przyczynia się do tworzenia piany lub kożucha. Kożuch taki może powstawać na powierzchni różnych komór i jest trudny nawet do mechanicznego usuwania.
Flotacja osadu w komorze napowietrzania lub wypływanie osadu na powierzchnię jest spowodowane przez pęcherzyki gazu , które przyczepiają się do powierzchni nitek. Znanych jest około 30 różnych rodzajów bakterii nitkowatych występujących na oczyszczalniach ścieków , które często wywołują problemy z osadem spuchniętym lub pływającym ( piana, kożuch ). Nie wszystkie te bakterie są uszeregowane taksonomicznie dlatego często nie posiadają nomenklatury binominalnej lecz podawane są typy liczbowe np.: Typ 021N, Typ 0041, Typ 1701 itp.
Identyfikację tych organizmów wykonuje się na podstawie technik morfologicznych, biochemicznych oraz poprzez barwienie.
Oczywiście osad czynny to nie tylko bakterie. Największa grupa bioindykatorów pracy osadu czynnego występuje wśród pierwotniaków. Jednokomórkowych organizmów , których rozmiary wyraża się w tysięcznych częściach milimetra- mikrometrach. Pomimo mikroskopijnej wielkości organizmy te podlegają tym samym prawom fizjologicznym co organizmy tkankowe: odżywiają się, poruszają się , oddychają oraz rozmnażają. Wszystkie te procesy zachodzą przy udziale maleńkich organelli komórkowych , które są odpowiednikiem narządów u organizmów wyższych. Przykładem mogą być mitochondria zwane fabryką energii, wodniczki pokarmowe stanowiące "układ trawienny" wodniczki tetniące odpowiedzialne za usuwanie nie strawionych resztek pokarmu czy wici lub rzęski stanowiące "układ ruchu". Koordynacja uderzeń rzęsek jest tak precyzyjna, że organizmy mogą nie tylko poruszać się do przodu , lecz również cofać i obracać Bardzo często kształt oraz położenie organelli odgrywa istotna rolę podczas identyfikacji gatunkowej. W trakcie obserwacji mikroskopowych można zobaczyć najróżniejsze gatunki, często o niespotykanym kształcie i zachowaniu. Należą tu formy o niezwykle prostej budowie , jak również takie, które wytworzyły zadziwiająco skomplikowane struktury. Jedne z nich poruszaja się pomiędzy kłaczkami inne wykonują ruch ślizgowy a jeszcze inne są osiadłe. Niektóre z omawianych pierwotniaków budują osłonki otaczające ciało, które odznaczają się róznorodnością zarówno pod względem form, jak i solidności materiału z którego są zbudowane. Posiadają zdolność tworzenia cyst przetrwalnikowych , dzięki czemu przeczekują nie właściwe warunki środowiska.
Wśród pierwotniaków występujących w osadzie czynnym występują wiciowce, korzenionóżki oraz orzęski. Wiciowce to grupa łącząca świat zwierząt i roślin. Posiadają jedną lub kilka wici i dominują w osadach nieustabilizowanych. Przykładem może być duży , charakteryzujący się silną metabolią ciała wiciowiec-Peranema trichophorum, czy maleńkie gatunki -Bodo spp.
Korzenionóżki to organizmy, które z uwagi na cienką błonę otaczającą ciało nie posiadają stałego kształtu. Poruszają się bardzo powoli za pomocą tzw. pseudopodium i tylko wytrwali obserwatorzy mogą zobaczyć przelewanie się cytoplazmy i wysuwanie nibynóżek. W osadzie spotykane są gatunki należace do ameb nagich np.: Amoeba limax , Amoeba proteus, czy też gatunki budujące osłonki np.: Euglyphia tuberculata, Arcella vulgaris.
Najbardziej zmienioną grupą, która osiągneła szczyt ewolucji wśród pierwotniaków są orzeski. Poza ogromnym zróżnicowaniem co do budowy, kształtu, sposobu poruszania się, orzęski dzielimy na swobodnie pływające, pełzające po kłaczkach oraz osiadłe.
Swobonie pływające np.: Prorodon teres, Glaucoma scintilans czy Tetrahymena pyriformis pojawiają się w osadach młodych lub wysoko-obciążonych. Pływają bardzo szybko i czasami są trudne do identyfikacji. Wśród tych organizmów spotykane są także gatunki drapieżne np..: odzywiajacy się Paramecium sp. - Didinium nasutum.
Orzęski pełzające po kłaczkach wykonują ruch ślizgowy ( Chilodonella sp., Trachelophyllum sp.) lub kroczny. Doszło w tej grupie to pewnego rodzaju przystosowania w budowie , mianowicie posiadają cirri-"kolce" powstałe z modyfikacji rzęsek służące do poruszania się. Przykładem może być Aspidisca costata czy Euplotes patella. Wśród orzęsków osiadłych spotyka się osobniki pojedyńcze (Vorticella sp.) lub kolonijne (Epistylis sp.,Zoothamnium sp., Carchesium sp.) Bardzo ciekawa jest grupa -Suctoria. Są to organizmy drapieżne. Posiadają rurki rozrzucone na powierzchni ciała. Końce rurek zawierają lepką substancje która umożliwia zatrzymanie ofiary. Enzymy trawienne wędrują do wnętrza ofiary i cała zawartość zostaje wessana poprzez rurki. Przykładem może być gatunek posiadający rurki rozrzucone po całej powierzchni ciała -Podophrya sp., gatunek posiadający rurki zebrane w pęki - Tocophrya sp. czy budujący osłonkę -Acineta sp.
W osadzie czynnym występują także organizmy tkankowe np.: wrotki, nicienie , widłonogi, pajęczaki czy niesporczki. Organizmy te poprzez ogromną żarłoczność regulują populacje bakterii.
W towarzystwie organizmów tkankowych i bakterii pierwotniaki tworzą mikro-ekosystem, w którym symbioza i i synergizm są dominującym sposobem współżycia. Jest to ekosystem bardzo czuły na zmiany środowiska i często pozostają w nim gatunki najlepiej przystosowane.
Dlatego skład gatunkowy nie jest stały i odzwierciedla warunki panujące w osadzie czynnym.
Zjawisko to jest wykorzystywane w praktyce do optymalizacji procesów opartych na osadzie czynnym.
Systematycznie prowadzona analiza osadu czynnego umożliwia:
- Ocenę warunków tlenowych w komorze napowietrzania,
- Określenie w przybliżeniu zakresu obciążenia osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń,
- Stwierdzenie wpływu substancji toksycznych na biocenozę osadu czynnego,
- Stwierdzenie zaburzeń przebiegu procesu osadu czynnego,
- Ustalenie przyczyny obniżonej sedymentacji,
- Ustalenie przyczyn występowania piany w komorach napowietrzania czy też piany lub kożucha na powierzchni osadnika wtórnego.
- Osad czynny tworzy system zależności organizmów , który często spotykamy w naturalnych biocenozach.
Schemat Biocenozy osadu czynnego.
Ścieki
Bakterie cheterotroficzne
Reducenci
Bakterie chemoautotroficzne Pierwotniaki drapieżne
Producenci Konsumenci II rzędu
Pierwotniaki, Wrotki
Konsumenci I rzędu
Producenci- Nitrosomonas spp., Nitrobacter spp., Beggiatoa spp.,
Konsumenci I rzędu- Aspidisca sp., Chilodonella sp., Vorticella sp, Rotatoria
Konsumenci II rzędu- Amphileptus sp., Didinium sp..
Reducenci- Pseudomonas sp., Bacillus sp., Sphaerotilus sp., Proteus sp.
Osad czynny to szalenie interesujący fragment natury, o którym nie sposób wszystko napisać w jednym artykule. Myślę że warto było zapoznać się z mikroskopowym "światem", w którym często zaskakujące w budowie i zachowaniu organizmy tocząc "walkę o byt" i dominacje , biorą udział w procesach oczyszczania ścieków , a tym samym poprawiają nam jakość wody jakże potrzebnej do życia.