Înțelegerea nămolului activat (I) - origine, structură, comunitate microbiană și indicatori de performanță

Introducere: Astăzi, să aflăm despre protagonistul epurării biologice – nămolul activat (purtător al diferitelor microorganisme). Joacă un rol crucial în procesele de tratare biologică, eliminând poluanți precum COD, azotul amoniac, azotul total și fosforul total din apele uzate prin diferitele microorganisme din nămol. Cei care au vizitat stațiile de epurare pot simți un miros slab de noroi; asta e mirosul de namol activat!

Nămolul activat a fost descoperit pentru prima dată în 1912 de Clark și Gage în Marea Britanie, ca urmare a unui mic experiment. În experiment, aerarea prelungită a apei uzate a produs nămol, iar calitatea apei s-a îmbunătățit semnificativ. Arden și Lockgtt au studiat ulterior acest fenomen.

Experimentele de aerare au fost efectuate în sticle. La sfârșitul experimentului fiecărei zile, sticlele au fost golite, iar procesul a început din nou a doua zi. Ei au descoperit accidental că, deoarece sticlele nu au fost curățate temeinic, efectul tratamentului a fost de fapt mai bun atunci când nămolul a aderat de pereții sticlei. Recunoscând importanța nămolului lăsat pe pereții sticlei, l-au numit nămol activ.

Ulterior, înainte de sfârșitul experimentului fiecărei zile, au permis apei uzate aerate să se depună, aruncând doar stratul superior de apă purificată și lăsând nămolul în partea de jos pentru utilizare a doua zi. Acest lucru a scurtat semnificativ timpul de tratare a apelor uzate.

În 1916, prin acest proces experimental a fost construită prima stație de epurare cu nămol activ.

Nămolul activat este o substanță floculentă formată dintr-un amestec de comunități microbiene precum bacterii, ciuperci, protozoare și metazoare cu substanțe în suspensie și coloidale din apele uzate. Are o capacitate puternică de adsorbție și descompunere a materiei organice și proprietăți bune de decantare și posedă activitate biochimică.

Flocurile și bacteriile filamentoase sunt componente importante ale nămolului activ.

Flocurile sunt formate prin agregarea bacteriilor cu mucus sau capsule. Acestea adsorb impuritățile și microorganismele libere în apele uzate, dând nămolului activ proprietăți excelente de decantare și protejând microorganismele din apele uzate împotriva ingerării sau otrăvirii.

Bacteriile filamentoase formează scheletul nămolului activat. Ele cresc și se alungesc sub atașarea flocurilor, determinând flocurile să formeze particule mai mari, menținând în același timp slăbirea nămolului activat.

În aparență, nămolul activ este în general galben sau galben-maronie. Devine neagră când aportul de oxigen este insuficient sau anaerob și alb-cenușiu când aportul de oxigen este excesiv și nutrienții sunt insuficienti. Nămolul activ are un conținut ridicat de apă, în general peste 99%, iar densitatea sa este similară cu apa, de obicei 1,002–1,003 kg/L.

În microorganismele cu nămol activat, protozoarele se hrănesc cu bacterii, în timp ce metazoarele se hrănesc atât cu protozoare, cât și cu bacterii, formând un lanț trofic și o comunitate biologică echilibrată. Bacteriile din nămol activat există adesea sub formă de flocuri, mai puține există în stare liberă. Acest lucru conferă bacteriilor capacitatea de a rezista factorilor externi negativi. Bacteriile libere nu se stabilesc ușor, dar pot fi pradate de protozoare, făcând astfel efluentul din rezervorul de sedimentare mai clar.

1. Bacterii

Bacteriile sunt organisme unicelulare. Sunt diverse, numeroase și de dimensiuni mici în nămolul activat, având o capacitate puternică de adsorbție și descompunere a materiei organice, jucând un rol crucial în tratarea apelor uzate.

În primele etape ale cultivării nămolului activ, bacteriile sunt în mare parte libere în apele uzate. Pe măsură ce nămolul se formează treptat, ele se agregează treptat în grupuri mai mari.

(1) Flocuri: Acestea sunt particule mici, vizibile, compuse din bacterii și substanțele gelatinoase secretate de acestea. Majoritatea bacteriilor din nămolul activat sunt închise în substanțe gelatinoase, existente sub formă de flocuri. Flocurile sunt centrul structural și funcțional al nămolului activat, având proprietăți precum adsorbția, descompunerea oxidativă și sedimentarea prin coagulare.

(2) Bacterii filamentoase: Acestea sunt un tip de bacterii ale căror celule, cu sau fără capside, sunt legate între ele pentru a forma filamente. Bacteriile filamentoase se atașează adesea și se împletesc cu flocurile bacteriene, formând scheletul nămolului de murdărie. Cu toate acestea, atunci când proliferează în număr mare, pot înrăutăți proprietățile de floculare și decantare ale nămolului activat și, în cazuri severe, pot provoca înmulțirea nămolului.

(3) Bacteriile nitrificante Bacteriile nitrificante sunt un tip de bacterii autotrofe care pot degrada amoniacul și nitriții. Acestea includ două subgrupe fiziologice: *Bacterii Nitrifiante* și *Bacterii Nitrifiante*, care aparțin unei familii independente-Familiei de Bacterie Nitrifiante. Bacteriile nitrifiante obțin energie pentru a-și satisface nevoile metabolice prin oxidarea compușilor anorganici prin nitrificare, folosind CO2 ca unică sursă de carbon. Sunt bacterii chimioautotrofe tipice. Bacteriile nitrifiante posedă nitrificare, care se referă la procesul prin care bacteriile nitrificante oxidează NH3 la NO2- în condiții aerobe și îl oxidează în continuare la NO3-, obținând astfel energia necesară creșterii. Prima etapă, oxidarea NH3 la NO2-, se numește nitrificare sau oxidare a amoniacului și este finalizată de bacteriile nitrificatoare; a doua etapă, oxidarea NO2- la NO3-, se numește nitrificare și este finalizată de bacteriile nitrificatoare. Prin urmare, nitrificarea discutată în mod obișnuit include de fapt două etape: nitrificarea prin bacterii oxidante de nitriți și nitrificarea prin bacterii nitrificatoare.

(4) Bacteriile denitrificatoare: Bacteriile denitrificatoare sunt bacterii chimioheterotrofe. În condiții de deficit de oxigen-, aceștia reduc nitrații la nitriți și reduc în continuare nitriții la azot gazos, obținând astfel energie. Acesta este în esență opusul funcției bacteriilor nitrificatoare (natura este interesantă în acest fel; două tipuri diferite de bacterii realizează ciclul azotului). Bacteriile denitrificatoare sunt distribuite pe scară largă în sol și în apele uzate, jucând un rol major în tratarea apei peisajului, managementul râurilor urbane și tratarea acvaculturii.

(5) Bacteriile acidifiante hidrolitice: Acestea sunt bacterii care pot utiliza molecule organice mari și complexe pentru activitățile vieții în medii anaerobe. Hidroliza este procesul prin care polimerii complecși, insolubili, sunt transformați în monomeri sau dimeri solubili simpli. Datorită greutății lor moleculare relativ mari, materia organică cu greutate-moleculară-înaltă nu poate trece prin membranele celulare și, prin urmare, nu poate fi utilizată direct de bacterii. Ele sunt mai întâi transformate în molecule mai mici prin acțiunea hidrolitică a enzimelor extracelulare bacteriene. Cea mai tipică caracteristică a acestei etape este că reacția biologică are loc extracelular. Bacteriile completează reacțiile de oxidare biocatalitică prin eliberarea de enzime extracelulare libere sau enzime imobilizate atașate de peretele celular.

Și așa mai departe... există multe tipuri de bacterii, așa că mă opresc aici deocamdată. Introducerile detaliate ale unei singure specii bacteriene pot fi furnizate ulterior.

2. Protozoare

Protozoarele sunt animale mici, simple, unicelulare-de nivel scăzut. Un număr mare de protozoare există în nămolul activ de la tratarea apelor uzate. Ei participă la purificarea apelor uzate prin ingerarea particulelor organice. În plus, deoarece protozoarele sunt sensibile la condițiile de mediu, compoziția și cantitatea lor se modifică odată cu variațiile mediului; prin urmare, ele sunt adesea folosite ca organisme indicator. Exemplele comune includ vorticella, amibe, flagelate și ciliați înotători. Aceste microorganisme reprezintă mai mult de 80% din total. Dacă numărul de indivizi depășește 1000/mL, ar trebui să fie considerat nămol activ cu eficiență ridicată de purificare.

3. Micrometazoare

Principalele micrometazoare din nămolul activat sunt rotiferii și nematozii. În general, numărul de metazoare microscopice din nămolul activat este relativ mic. Cu toate acestea, în nămolul activat cu sarcină mică-, în special în nămolul activat cu aerare extinsă, rotiferii și oligochetele pot deveni uneori speciile dominante.

04 Indicatori de performanță ai nămolului activat Comunitatea microbiană include în principal bacterii, protozoare și metazoare, bacteriile și protozoarele fiind cele două categorii principale. Indicatorii de performanță ai nămolului activat includ: substanțe solide în suspensie în amestec (MLSS), raportul de decantare a nămolului (SV), indicele de volum al nămolului (SVI) și indicele de densitate a nămolului (SDI).

Solide în suspensie de lichid mixt (MLSS) reprezintă greutatea totală a solidelor de nămol activat conținute într-o unitate de volum de lichid amestecat într-un rezervor de aerare, adică:

MLSS=Ma + Eu + Mi + Mii

Ma – Comunitatea microbiană activă metabolic;

Me – Reziduuri din metabolismul endogen și auto{0}}oxidarea microorganismelor (în principal bacterii);

Mi – Materie organică inertă care este greu de degradat de către bacterii, transportată de apa uzată brută;

Mii – Materie anorganică transportată de apa uzată.

Unitatea este mg/L sau kg/m³.

Solide în suspensie volatile de lichid mixt (MLVSS) reprezintă concentrația de solide organice în nămolul activat al lichidului mixt, adică:

MLVSS=Ma + Eu + Mi

Raportul dintre MLVSS și MLSS este exprimat ca f. În condiții normale, valoarea f este relativ fixă, în jur de 0,75 pentru apele uzate menajere.

Atât MLVSS, cât și MLSS pot fi utilizate pentru a reflecta concentrația nămolului din rezervoarele de tratare biologică. Comparațiile zilnice de date pot dezvălui creșterea nămolului activ. Cu toate acestea, MLVSS exclude materia anorganică, ceea ce face valoarea acesteia mai aproape de numărul real de microorganisme.

Viteza de decantare a nămolului (SV), cunoscută și sub denumirea de viteză de decantare de 30 de minute, este procentul din volumul de nămol precipitat format după ce lichidul amestecat s-a depus într-un cilindru gradat timp de 30 de minute, exprimat ca procent (%).

În primele etape ale cultivării nămolului activ, viteza de decantare poate fi utilizată pentru a observa inițial creșterea nămolului. În general, nămolul activ normal, stabil SV este între 20-35%. Un SV mai mic indică o concentrație insuficientă a nămolului, în timp ce un SV mai mare indică o creștere excesiv de rapidă a nămolului (nutrienți excesivi, posibil din cauza sursei excesive de carbon).

Indicele volumului nămolului (SVI), cunoscut și sub denumirea de indice al nămolului, este volumul de nămol decantat (în ml) per gram de nămol uscat după 30 de minute de decantare în lichidul amestecat la ieșirea rezervorului de aerare. Formula de calcul a indicelui de volum al nămolului este:

SVI=SV/MLSS

SVI este utilizat pentru a evalua performanța de decantare a nămolului, iar intervalul său normal este de obicei între 70 și 150 mL/g. O valoare SVI scăzută indică o activitate scăzută a nămolului și un conținut ridicat de materie anorganică; o valoare ridicată a SVI indică potențiala aglomerare a nămolului și o performanță slabă de decantare.

Indicele de densitate a nămolului (SDI), denumit în mod obișnuit densitate, este reciproca SVI.