Úvod: Dnes sa zoznámime s protagonistom biologického čistenia – aktivovaným kalom (nosičom rôznych mikroorganizmov). Zohráva kľúčovú úlohu v procesoch biologického čistenia, pri odstraňovaní znečisťujúcich látok, ako je CHSK, amoniakálny dusík, celkový dusík a celkový fosfor z odpadových vôd prostredníctvom rôznych mikroorganizmov v kale. Tí, ktorí navštívili čistiarne odpadových vôd, môžu cítiť slabý bahnitý zápach; to je vôňa aktivovaného kalu!
01 Pôvod aktivovaného kalu
Aktivovaný kal bol prvýkrát objavený v roku 1912 Clarkom a Gageom vo Veľkej Británii na základe malého experimentu. V experimente pri dlhšom prevzdušňovaní odpadovej vody vznikol kal a kvalita vody sa výrazne zlepšila. Arden a Lockgtt následne tento jav skúmali.
Experimenty s prevzdušňovaním sa uskutočňovali vo fľašiach. Na konci každého denného experimentu boli fľaše vyprázdnené a proces začal znova nasledujúci deň. Náhodne zistili, že keďže fľaše neboli dôkladne vyčistené, účinok úpravy bol v skutočnosti lepší, keď sa kal prilepil na steny fľaše. Uvedomujúc si dôležitosť kalu, ktorý zostal na stenách fľaše, nazvali ho aktivovaný kal.
Následne pred koncom každého denného experimentu nechali prevzdušnenú odpadovú vodu usadiť, pričom vyhodili len vrchnú vrstvu vyčistenej vody a kal nechali na dne na použitie na ďalší deň. Tým sa výrazne skrátil čas čistenia odpadových vôd.
V roku 1916 bola pomocou tohto experimentálneho procesu postavená prvá čistiareň odpadových vôd s aktivovaným kalom.
02 Štrukturálne zloženie a fyzikálne vlastnosti aktivovaného kalu
Aktivovaný kal je vločkovitá látka tvorená zmesou mikrobiálnych spoločenstiev ako sú baktérie, huby, prvoky a metazoá so suspendovanými a koloidnými látkami v odpadových vodách. Má silnú schopnosť adsorbovať a rozkladať organické látky a dobré usadzovacie vlastnosti a má biochemickú aktivitu.
Vločky a vláknité baktérie sú dôležitými zložkami aktivovaného kalu.
Vločky vznikajú agregáciou baktérií s hlienom alebo kapsulami. Adsorbujú nečistoty a voľné mikroorganizmy v odpadovej vode, čím poskytujú aktivovanému kalu vynikajúce usadzovacie vlastnosti a chránia mikroorganizmy v odpadovej vode pred požitím alebo otravou.
Vláknité baktérie tvoria kostru aktivovaného kalu. Rastú a predlžujú sa pod pripevnením vločiek, čo spôsobuje, že vločky vytvárajú väčšie častice pri zachovaní kyprosti aktivovaného kalu.
Aktivovaný kal je vo všeobecnosti žltý alebo hnedo{0}}žltý. Keď je prísun kyslíka nedostatočný alebo anaeróbny, zmení sa na čiernu a sivo-bielu, keď je prísun kyslíka nadmerný a živiny nedostatočné. Aktivovaný kal má vysoký obsah vody, vo všeobecnosti nad 99 %, a jeho hustota je podobná vode, typicky 1,002 – 1,003 kg/l.
03 Mikrobiálne zloženie aktivovaného kalu
V aktivovaných kalových mikroorganizmoch sa prvoky živia baktériami, zatiaľ čo metazoá sa živia prvokmi aj baktériami, čím vytvárajú potravinový reťazec a vyvážené biologické spoločenstvo. Baktérie aktivovaného kalu často existujú vo forme vločiek, pričom vo voľnom stave je ich menej. To dáva baktériám schopnosť odolávať nepriaznivým vonkajším faktorom. Voľné baktérie sa neusadzujú ľahko, ale môžu sa stať obeťou prvokov, čím sa odpad zo sedimentačnej nádrže stáva čistejším.
1. Baktérie
Baktérie sú jedno{0}}bunkové organizmy. Sú rozmanité, početné a majú malú veľkosť v rámci aktivovaného kalu, majú silnú schopnosť adsorbovať a rozkladať organickú hmotu a zohrávajú kľúčovú úlohu pri čistení odpadových vôd.
V počiatočných štádiách kultivácie aktivovaného kalu sú baktérie v odpadovej vode z veľkej časti voľné. Ako sa kal postupne vytvára, postupne sa zhlukuje do väčších skupín.
(1) Vločky: Sú to drobné viditeľné častice zložené z baktérií a ich vylučovaných želatínových látok. Väčšina baktérií v aktivovanom kale je obalená v želatínových látkach, ktoré existujú vo forme vločiek. Vločky sú štrukturálnym a funkčným centrom aktivovaného kalu, ktorý má vlastnosti ako adsorpcia, oxidačný rozklad a koagulačná sedimentácia.
(2) Vláknité baktérie: Ide o typ baktérií, ktorých bunky, s kapsidami alebo bez nich, sú navzájom spojené a vytvárajú vlákna. Vláknité baktérie sa často pripájajú a prepletajú sa s bakteriálnymi vločkami, čím vytvárajú kostru zanášacieho kalu. Keď sa však rozmnožia vo veľkom množstve, môžu zhoršiť flokulačné a usadzovacie vlastnosti aktivovaného kalu a v závažných prípadoch spôsobiť zväčšovanie kalu.
(3) Nitrifikačné baktérie Nitrifikačné baktérie sú typom autotrofných baktérií, ktoré môžu degradovať amoniak a dusitany. Zahŕňajú dve fyziologické podskupiny: *nitrifikačné baktérie* a *nitrifikačné baktérie*, ktoré patria do nezávislej rodiny-nitrifikačných baktérií. Nitrifikačné baktérie získavajú energiu na uspokojenie svojich metabolických potrieb oxidáciou anorganických zlúčenín prostredníctvom nitrifikácie, pričom ako jediný zdroj uhlíka využívajú CO2. Sú to typické chemoautotrofné baktérie. Nitrifikačné baktérie majú nitrifikáciu, čo je proces, pri ktorom nitrifikačné baktérie oxidujú NH3 na NO2- za aeróbnych podmienok a ďalej ho oxidujú na NO3-, čím získavajú energiu potrebnú na rast. Prvý stupeň, oxidácia NH3 na NO2-, sa nazýva nitrifikácia alebo oxidácia amoniaku a je ukončený nitrifikačnými baktériami; druhý stupeň, oxidácia NO2- na NO3-, sa nazýva nitrifikácia a je ukončený nitrifikačnými baktériami. Preto bežne diskutovaná nitrifikácia v skutočnosti zahŕňa dva stupne: nitrifikáciu baktériami oxidujúcimi dusitany a nitrifikáciu nitrifikačnými baktériami.
(4) Denitrifikačné baktérie: Denitrifikačné baktérie sú chemoheterotrofné baktérie. V podmienkach nedostatku kyslíka-redukujú dusičnany na dusitany a ďalej redukujú dusitany na plynný dusík, čím získavajú energiu. Ide v podstate o opak funkcie nitrifikačných baktérií (príroda je týmto spôsobom zaujímavá, cyklus dusíka dosahujú dva rôzne druhy baktérií). Denitrifikačné baktérie sú široko rozšírené v pôde a odpadových vodách a zohrávajú významnú úlohu pri úprave vody v krajine, správe mestských riek a úprave akvakultúry.
(5) Hydrolytické acidifikujúce baktérie: Sú to baktérie, ktoré môžu využívať veľké, komplexné organické molekuly pre život v anaeróbnom prostredí. Hydrolýza je proces, pri ktorom sa zložité, nerozpustné polyméry premieňajú na jednoduché rozpustné monoméry alebo diméry. Vzhľadom na ich veľkú relatívnu molekulovú hmotnosť nemôžu organické látky s vysokou -molekulovou- hmotnosťou prejsť cez bunkové membrány, a preto ich baktérie nemôžu priamo využiť. Najprv sa hydrolytickým pôsobením bakteriálnych extracelulárnych enzýmov premenia na menšie molekuly. Najtypickejšou charakteristikou tohto štádia je, že biologická reakcia prebieha extracelulárne. Baktérie dokončia biokatalytické oxidačné reakcie uvoľnením extracelulárnych voľných enzýmov alebo imobilizovaných enzýmov pripojených k bunkovej stene.
A tak ďalej... je veľa druhov baktérií, takže tu sa nateraz zastavím. Podrobné zavedenie jednotlivých druhov baktérií možno poskytnúť neskôr.
2. prvoky
Prvoky sú malé, jednoduché, nízke-jedno{1}}bunkové živočíchy. V aktivovanom kale z čistenia odpadových vôd existuje veľké množstvo prvokov. Podieľajú sa na čistení odpadových vôd požitím organických častíc. Okrem toho, pretože prvoky sú citlivé na podmienky prostredia, ich zloženie a množstvo sa mení so zmenami prostredia; preto sa často používajú ako indikátorové organizmy. Bežné príklady zahŕňajú vírniky, améby, bičíkovce a plávajúce nálevníky. Tieto mikroorganizmy tvoria viac ako 80 % z celkového počtu. Ak počet jedincov presiahne 1000/ml, mal by sa považovať za aktivovaný kal s vysokou účinnosťou čistenia.
3. Mikrometazoa
Hlavnými mikrometazami v aktivovanom kale sú vírniky a háďatká. Vo všeobecnosti je počet mikroskopických metastáz v aktivovanom kale relatívne malý. V nízko{2}}zaťažených aktivovaných kaloch, najmä v aktivovaných kaloch s predĺženým prevzdušňovaním, sa však niekedy môžu stať dominantnými druhmi vírniky a máloštetinavce.
04 Ukazovatele výkonnosti aktivovaného kalu Mikrobiálna komunita zahŕňa najmä baktérie, prvoky a metazoá, pričom baktérie a prvoky sú dve hlavné kategórie. Výkonnostné ukazovatele aktivovaného kalu zahŕňajú: suspendované pevné látky zmiešaného lúhu (MLSS), pomer usadzovania kalu (SV), objemový index kalu (SVI) a index hustoty kalu (SDI).
Suspendované látky v zmiešanom lúhu (MLSS) predstavujú celkovú hmotnosť pevných látok aktivovaného kalu obsiahnutých v jednotke objemu zmesového lúhu v prevzdušňovacej nádrži, tj:
MLSS=Ma + Ja + Mi + Mii
Ma – metabolicky aktívna mikrobiálna komunita;
Me – Zvyšky z endogénneho metabolizmu a samo{0}}oxidácie mikroorganizmov (hlavne baktérií);
Mi – Inertná organická hmota, ktorú baktérie ťažko degradujú, prenášaná surovou odpadovou vodou;
Mii – Anorganická hmota prenášaná odpadovou vodou.
Jednotkou je mg/l alebo kg/m³.
Prchavé suspendované látky zmesového lúhu (MLVSS) predstavujú koncentráciu organických pevných látok v aktivovanom kale zmesového lúhu, tj:
MLVSS=Ma + Ja + Mi
Pomer MLVSS k MLSS je vyjadrený ako f. Za normálnych okolností je hodnota f relatívne pevná, okolo 0,75 pre domovú odpadovú vodu.
MLVSS aj MLSS možno použiť na vyjadrenie koncentrácie kalu v nádržiach biologického čistenia. Denné porovnávanie údajov môže odhaliť rast aktivovaného kalu. MLVSS však vylučuje anorganickú hmotu, čím sa jej hodnota približuje skutočnému počtu mikroorganizmov.
Rýchlosť usadzovania kalu (SV), tiež známa ako 30-minútová rýchlosť usadzovania, je percento objemu vyzrážaného kalu vytvoreného po usadzovaní zmesového lúhu v odmernom valci počas 30 minút, vyjadrené v percentách (%).
V počiatočných štádiách kultivácie aktivovaného kalu možno rýchlosť usadzovania použiť na prvotné pozorovanie rastu kalu. Vo všeobecnosti je normálny, stabilný aktivovaný kal SV medzi 20-35%. Nižšia SV indikuje nedostatočnú koncentráciu kalu, zatiaľ čo vyššia SV indikuje nadmerne rýchly rast kalu (nadbytok živín, pravdepodobne v dôsledku nadmerného zdroja uhlíka).
Objemový index kalu (SVI), tiež známy ako kalový index, je objem usadeného kalu (v ml) na gram suchého kalu po 30 minútach usadzovania v miešanej kvapaline na výstupe prevzdušňovacej nádrže. Vzorec na výpočet indexu objemu kalu je:
SVI=SV/MLSS
SVI sa používa na hodnotenie účinnosti usadzovania kalu a jeho normálny rozsah je zvyčajne medzi 70 a 150 ml/g. Nízka hodnota SVI indikuje nízku aktivitu kalu a vysoký obsah anorganických látok; vysoká hodnota SVI indikuje potenciálne zhlukovanie kalu a slabý výkon pri usadzovaní.
Index hustoty kalu (SDI), bežne označovaný ako hustota, je recipročný index SVI.