OVLIVŇOVÁNÍ SEPARAČNÍCH A ZAHUŠŤOVACÍCH VLASTNOSTÍ AKTIVOVANÉHO KALU

Transkript

1 OVLIVŇOVÁNÍ SEPARAČNÍCH VLASTNOSTÍ AKTIVOVANÉHO KALU 1. Disperzní růst baktérií 2. Neusaditelné mikrovločky 3. Viskózní bytnění 4. Vzplývající kal 5. Vláknité bytnění akt. kalu 6. Tvorba biologických pěn OVLIVŇOVÁNÍ SEPARAČNÍCH A ZAHUŠŤOVACÍCH VLASTNOSTÍ AKTIVOVANÉHO KALU Ing. Iveta Růžičková, Ph.D. Tyto studijní materiály umístěné na interních webových stránkách VŠCHT Praha jsou určeny k osobní potřebě studentů předmětu N Základy čištění odpadních vod. Jejich kopírování, šíření, distribuce a zveřejňování na veřejně dostupných serverech bez souhlasu autora/ů je porušením autorského zákona č. 121/2000 Sb. Řešení problémů zvýšeného výskytu vláknitých mikroorganismů 1. Specifické, preventivní biologické metody -vytvoření podmínek, za kterých je rychlost využívání substrátu vločkotvorných mikroorganismů vyšší než vláken princip kinetické selekce - zablokování metabolických drah využívání substrátu pro vláknité mikroorganismy princip metabolické selekce 2. Nespecifické, nápravné metody omezování důsledků zvýšené přítomnosti vláknitých mikroorganismů v biocenózách aktivovaných kalů Kinetická selekce založena na rozdílné rychlosti využívání biologicky rozložitelných substrátů mezi mikroorganismy vločkotvornými a vláknitými. K hlavním faktorům ovlivňujícím kinetickou selekci patří: (i) složení odpadních vod a z něj plynoucí podmínky v aktivační nádrži (ii) doba zdržení biomasy stáří kalu (iii) aktuální koncentrace substrátu v reaktoru (iv) koncentrace rozpuštěného kyslíku v aktivační směsi (i) Složení odpadních vod a z něj plynoucí podmínky v aktivační nádrži Typ substrátu - lehce rozložitelný -sirné sloučeniny - vyšší mastné kyseliny a tuky Inokulace - organismy rostoucí ve stokách Nutrienty - nedostatek N/P - stopové prvky ph -nízké hodnoty (ii) Doba zdržení biomasy stáří kalu (iii) Aktuální koncentrace substrátu v reaktoru Typ 1701 S. natans Thiothrix Typ 021N Q X, dni Kompetice vločkotvorných a vláknitých mikroorganismů založena na různých hodnotách konstant pro daný substrát (Monodova rovnice). max S K S S 2 1 nokard. aktinom. Typy 0041/0675 M. parvicella Typ K S strategie (vlákna), 2 µ max strategie (vločkotvorní) μ růstová rychlost, S koncentrace substrátu S Kritické hodnoty stáří příliš nízké obvykle pod 3 dny (ovlivnění nitrifikace, nebezpečí disperzního růstu) 1

2 Nevyvážený růst - některé mikroorganismy, převážně ze skupiny vločkotvorných, jsou schopny při dostatečné koncentraci substrátu v okolí buňky tento substrát urychleně transportovat do buňky v míře vyšší, než odpovídá okamžitým energetickým a růstovým požadavkům. Koncentrační gradient - aktivace SBR ODP. VODA ODTAH Mikroorganismy neschopné tohoto mechanismu nemohou v dané biocenóze dominovat (některá vlákna). A B C D E VZDUCH Systémy s koncentračním gradientem - kompartmentalizace/selektor "SELEKTOR" AKTIVAČNÍ NÁDRŽ P O N D VAK Metabolická selekce (iv) Koncentrace rozpuštěného kyslíku v aktivační směsi vyšší afinita některých vláken k nízké koncentraci rozpuštěného kyslíku Minimální koncentrace rozpuštěného kyslíku k zabránění nadměrného růstu vláknitých mikroorganismů B X kg/(kg.d)(chsk/x) O 2 mg/l 0,3 1,0 0,5 2,0 0,75 3,0 0,9 4,0 založena na schopnosti či neschopnosti určitého mikroorganismu využívat substrát v daných kultivačních podmínkách systémy biologického odstraňování nutrientů (zařazení anoxické a/nebo anaerobní zóny) P AS IR A N ANOX OX V K Schéma základního uspořádání aktivačního procesu s anaerobní, anoxickou a oxickou zónou (PHOREDOX Process) P-přítok, O - odtok, AS - aktivační směs, IR - interní recirkulace, VK - vratný kal, PK - přebytečný kal D N P K O Kombinace kinetické a metabolické selekce Nespecifické metody řízení separačních vlastností P AKZ D R I R N V K D N P K O (i) poškozování vláknitých mikroorganismů toxikanty (chlór) - celková rychlost dávkování chlóru v rozmezí 1 15 g/(kg.d) (Cl 2, X), při dávkách vyšších než 5 g/(kg.d) je potřeba pravidelná kontrola mikroskopického obrazu aktivovaného kalu - koncentrace chlóru v místě dávkování by neměla překročit mg/l - frekvence kontaktu aktivovaného kalu s chlórem alespoň 2,5 3x denně. Schéma aktivačního procesu R-D-N AKZ anoxická kontaktní zóna (kompartmentalizovaná), D denitrifikační zóna, N nitrifikační zóna, R regenerační zóna, DN dosazovací nádrž, P přítok, O odtok, IR interní recirkulace aktivační směsi, VK vratný aktivovaný kal, PK přebytečný aktivovaný kal (ii) zatěžování vloček aktivovaného kalu - soli Fe/Al, lze kombinovat s chemickým srážením fosfátů 2

3 Použití vodních sprch Opatření v případě výskytu biologických pěn na ČOV v ČR (62 ČOV) zpětná inokulace systému účinné z hlediska kvality finálního odtoku Použité opatření Počet ČOV [%] Použití vodních sprch Stírání pěny a její mechanické odstraňování Manipulace s vratným kalem Snižování stáří kalu Dodatečná instalace norných stěn Aplikace kontaktních zón (selektorů) Chlorace pěny 3 5 Eikelboom, D.H. (2000) Process Control of Activated Sludge Plants by Microscopic Investigation, first ed. IWA Publishing, London. Sprchování biologické pěny v aktivační nádrži Sprchování biologické pěny - v dosazovací nádrži - v místě jejího nahromadění ve spojovacím kanálu Sprchování biologické pěny Stírání a mechanické odstraňování biologické pěny zvyšování zřeďovací rychlosti pro pěnotvorné vláknité mikroorganismy v systému Manipulace s vratným kalem zvyšování recirkulačního poměru vratného kalu Nejčastěji se pěna zachycuje a stírá až v dosazovací nádrži (viz dále). snížení rizika denitrifikace a tvorby nosného plynu Redukce stáří kalu kritická hodnota stáří kalu k vyplavení pěnotvorných vláknitých mikroorganismů příliš nízká Příklad mechanického odstraňování pěny z betonového spojovacího žlabu nevhodné pro systémy biologického odstraňování nutrientů 3

4 Instalace norných stěn (viz dále) Kontaktní zóny (selektory) pro pěnotvorné mikroorganismy málo účinné Chlorace pěny spojovací žlab mezi aktivační a dosazovací nádrží či přímo na pěnu zhoršená účinnost nitrifikace, při vyšších koncentracích Cl 2 i účinnost biologického odstraňování fosforu nebezpečí přechlorování pravidelná mikroskopická kontrola Aplikace minerálních koagulantů Fe a Al soli efekt zatížení, vazba vláken do vloček inhibiční/částečně toxický efekt Al na růst vybraných vláken Selektivní flotace zařazení selektivní flotační jednotky mezi aktivační a dosazovací nádrž Použití bioaditiv odpěňovače enzymatické přípravky směsné koagulanty Provoz a konstrukce dosazovacích nádrží IDENTIFIKACE VLÁKNITÝCH MIKROORGANISMŮ klasické konvenční kultivační metody identifikace do typů IDENTIFIKACE (VLÁKNITÝCH) MIKROORGANISMŮ metody molekulární biologie založeny na izolaci organismu a testech morfologických, fyziologických a biochemických rysů KULTIVAČNÍ METODY Nevýhody: potřeba alespoň 30 stabilních rysů pro formální rozpoznání nomenklaturního taxonu nedostatek srovnávacích čistých kultur vláken odlišnosti vláken ve srovnání s čistou kulturou nízké růstové rychlosti velká anomálie kultivační plotny (Acinetobacter spp.) IDENTIFIKACE DO TYPŮ (Eikelboom, 1975) Typ (latinský název, číselný kód) -různé organismy s podobnými morfologickými rysy a reakcemi na barvení (cca 30 morfotypů x 100 genotypů) Výhody: přesná taxonomická pozice organismu (+ metody chemické analýzy a molekulární biologie) Nevýhody: přesná taxonomická pozice nejistá nebo neznámá Výhody: rychlá a jednoduchá metoda běžná laboratoř vyhovuje praktickým potřebám 4

5 Morfologické charakteristiky vláknitých mikroorganismů fázový kontrast, cca 1 000x fixní x proměnlivé -existence větvení (pravé, nepravé) -pohyblivost - tvar vláken (rovná, ohnutá, stočená, řetěz buněk, ) -umístění vláken (uvnitř vloček, na povrchu vloček, volně v prostoru) -růst epifytických baktérií (jednotlivé baktérie, pravidelné nárosty) -existence buněčných přepážek - velikost a tvar buněk (obdélník, čtverec, ovál, tyčinky, ) -průměr a délka vlákna -přítomnost sirných a jiných granulí -přítomnost pouzdra Reakce na barvení přímé světlo, cca 1 000x roztěr kalu, fixace vzduchem Barvení podle Grama odlišné složení buněčné stěny různých typů baktérií a tím odlišná reakce se základním barvivem tj. krystalovou violetí. Gramovo barvení Gram + Gram v Gram Barvení podle Neissera 1. roztok methylénové modři (v ethanolu s kyselinou octovou) a krystalové violeti (2:1) 2. Bismarckova hněď vodný roztok Neisserovo barvení 1. krystalová violeť reaguje s kyselými složkami protoplasmy 2. po přidání Lugolova roztoku (jód + KI) vzniká modrá komplexní sloučenina 3. vymývání ethanolem (G+ baktérie - kys. teichoová v buněčné stěně, komplex se nerozpouští x G- baktérie - vyšší obsah lipidů apod. v buněčné stěně, komplex se rozpouští a vyplachuje) Neisser Neisser + granule 4. dobarvení kontrastním barvivem (safranin) Neisser + Neisserovo barvení detekce mikroorganismů metabolismu fosforu poly-p baktérie - zvýšené biologické odstraňování fosforu střídání anaerobních a anoxických/oxických podmínek -uvolňování a akumulace fosforu Nejčastěji se vyskytující vláknité mikroorganismy na ČOV v ČR dominantní v kalu Microthrix parvicella Nostocoida limicola Typ 0092 sekundární v kalu dominantní v pěně příp. zvýšená viskozita kalu, sedimentační problémy G baktérie - akumulace a uchovávání fosforu Typ 0041/0675 Haliscomenobacter hydrossis GALO 5

6 Microthrix parvicella -nepravidelně stočené -buněčná septa nepozorovatelná -průměr 0,6 0,8 µm - G+, N- a N+ granule Microthrix parvicella Substrátové a nutriční požadavky, fyziologie: mastné kyseliny s dlouhým řetězcem v esterifikované formě x snadno rozložitelné substráty?? schopnost denitrifikace?? NO 3 NO 2 x N 2 schopnost biol. odstraňování fosforu?? (praxe spíše ano) sporulace?? ph = 7,7 8,0; bez růstu při ph < 7,1 x reálná ČOV?? redukované sloučeniny dusíku a síry psychrofilní organismus, růst lze pozorovat i při teplotě nižší než 8 C, při 35 C se zastavuje METODY MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE založeny na analýze a využití specifických sekvencí (16S, 23S) RNA/DNA pomocí tzv. genových sond schopnost hybridizace s cílovou nukleovou kyselinou na základě komplementarity bází fluorescenční značení fluorescenční in situ hybridizace (FISH) Microthrix parvicella TACGGTAC ATGCCATG Thiothrix spp. Výhody: rychlá a jednoznačná identifikace (morfologicky podobné organismy vykazující odlišné růstové a nutriční požadavky) specifičnost (individuální mikroorganismus x funkční skupina) identifikace nezávisle na aktuální morfologii nitrifikační baktérie Typ 021N - červená Sphaerotilus natans - zelená Nevýhody: metoda finančně náročná a náročná na přístrojové vybavení nedostatek dostupných genových sond Wagner M., Amann R., Kämpfer P., Assmus B., Hartmann A., Hutzler P., Springer N., Schleifer K. H. (1994) Identification and in situ detection of gram-negative filamentous bacteria in activated sludge. System Appl Microbiol 17,