I. Επισκόπηση Συστημάτων Βιολογικού Καθαρισμού Λυμάτων
Η σύγχρονη βιολογική επεξεργασία λυμάτων χωρίζεται γενικά σε τρία στάδια:
- Πρωτοβάθμια επεξεργασία (Φυσική θεραπεία): Αναχαίτιση οθόνης ράβδου, δεξαμενή πρωτογενούς καθίζησης
- Δευτερογενής Επεξεργασία (Βιολογική Επεξεργασία): Δεξαμενή αερισμού, δεξαμενή τελικής καθίζησης
- Τριτοβάθμια Θεραπεία (Βιολογική/Φυσικοχημική Θεραπεία): Αφαίρεση αζώτου και φωσφόρου
Η ιλύς παραδίδεται χωριστά στο σύστημα πέψης της λάσπης.
Με βάση τη ζήτηση οξυγόνου, η βιολογική επεξεργασία ταξινομείται σε αερόβια επεξεργασία (διεργασία ενεργοποιημένης λάσπης, λίμνη οξείδωσης, κανάλι οξείδωσης, φίλτρο ροής, περιστρεφόμενος βιολογικός επαφέας κ.λπ.) και αναερόβια επεξεργασία (πέψη λάσπης).
II. Μικροβιακή Κοινότητα σε Ενεργό Λάμα
Η διαδικασία ενεργοποιημένης ιλύος βασίζεται σε ετερότροφα οικοσυστήματα που αποτελούνται από συγκεντρωμένους μικροοργανισμούς συμπεριλαμβανομένων βακτηρίων, μυκήτων, πρωτόζωων και μεταζώων για τον καθαρισμό των λυμάτων. Τα ετερότροφα βακτήρια και οι ελεύθερα ζωντανοί ετερότροφοι μύκητες σχηματίζουν το χαμηλότερο τροφικό επίπεδο. Προγεννούνται από ετερότροφα πρωτόζωα, τα οποία καταναλώνονται περαιτέρω από δευτερεύοντες θηρευτές, όπως τα rotifers και τα νηματώδη, πραγματοποιώντας τελικά τον καθαρισμό των λυμάτων.
(I) Βακτήρια – Η κύρια δύναμη για την αποδόμηση της οργανικής ύλης
Τα βακτήρια είναι η πιο κρίσιμη μικροβιακή ομάδα στην ενεργό ιλύ, αναλαμβάνοντας δύο βασικές λειτουργίες: την αποικοδόμηση της οργανικής ύλης και το σχηματισμό κροκίδων.
Βακτήρια οργανικής αποικοδόμησης Γένη
Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, Bacillus
- Κυρίαρχοι αποικοδομητές υδατανθράκων:Ψευδομονάς
- Κυρίαρχοι αποικοδομητές πρωτεϊνών:Alcaligenes, Flavobacterium, Bacillus
(II) Μηχανισμός Σχηματισμού Κροκίδων
Οι κροκίδες ενεργοποιημένης ιλύος σχηματίζονται μέσω της συνεργιστικής δράσης τριών συστατικών:
- βακτήρια που σχηματίζουν φλοκώδες (Zooglea ramigera): Σχήμα ράβδου, Gram-αρνητικό, καψουλωμένο και μη σποριογόνο. Επάγουν βακτηριακή συσσώρευση μέσω εξωκυτταρικών πολυμερών και μεσοκυττάριων ουσιών.
- Μέτρια νηματώδη βακτήρια: Παρέχουν νηματοειδείς σκελετούς για κροκίδες, επιτρέποντας την προσκόλληση και την ανάπτυξη βακτηρίων που σχηματίζουν κροκίδες, κυρίως συμπεριλαμβανομένων:
- Νιτροποιητικά βακτήρια
- Σφαερότιλος(βακτήρια σιδήρου)
- Beggiatoa(βακτήρια που οξειδώνουν το θείο)
- Θιόθριξ(βακτήρια που μειώνουν το θείο)
- Βελονοειδή: Εκκρίνουν βλεννοπρωτεΐνες και πολυμερή πολυσακχαριτών για να σχηματίσουν δομές γεφύρωσης και να διευκολύνουν την κροκίδωση.
(III) Μύκητες – Αποικοδομητές Πυρίμαχων Οργανικών
Οι μύκητες μπορούν να διασπάσουν τα ανθεκτικά, δύσκολα βιοαποδομήσιμα οργανικά με σχετικά χαμηλό ρυθμό αποδόμησης. Τα μέτρια μυκητιακά νημάτια χρησιμεύουν ως πυρήνες κροκίδωσης και βελτιώνουν την απόδοση κροκίδωσης και καθίζησης. Ωστόσο, ο υπερβολικός πολλαπλασιασμός των μυκήτων οδηγεί σε διόγκωση της λάσπης και κακές ιδιότητες καθίζησης.
Αιτίες μη φυσιολογικής μαζικής ανάπτυξης μυκήτων:
- Πτώση θερμοκρασίας
- Χαμηλή τιμή pH
- Υψηλή αναλογία C/N λυμάτων
- Υπερβολική οργανική φόρτωση
- Παρουσία σουλφιδίων
(IV) Πρωτόζωα – Οργανισμοί δείκτης για την ποιότητα του νερού
Κοινά πρωτόζωα στην ενεργοποιημένη ιλύ:
- Αμοιβοειδή πρωτόζωα
- Μαστιγωτές (φυτομαστιγωτές και ζωομαστιγωτές)
- Ακροειδείς βλεφαρίδες: ελεύθερα κολυμβούμενοι βλεφαρίδες και βλεφαρίδες με μίσχο
Σημασία δείκτη: Η παρουσία βλεφαρίδων είναι βασικός δείκτης αποτελεσματικής βιολογικής επεξεργασίας. Τα μαστιγωτά έχουν ασθενή ανταγωνιστικότητα για τρόφιμα και επιβιώνουν μόνο σε λύματα υψηλής συγκέντρωσης.
(V) Metazoa – Δευτερεύοντα Αρπακτικά
Τα μεταζώα τρέφονται με βακτήρια και μικρά πρωτόζωα ως δευτερεύοντες θηρευτές. Επεκτείνουν την τροφική αλυσίδα και μειώνουν σημαντικά την απόδοση της λάσπης. Τα αντιπροσωπευτικά είδη περιλαμβάνουν rotifers και νηματώδεις.
III. Τρία στάδια σχηματισμού λάσπης
Η διαδικασία απομάκρυνσης της οργανικής ύλης της ενεργοποιημένης ιλύος συμπίπτει με τον σχηματισμό ιλύος, ο οποίος αποτελείται από τρία διαδοχικά βήματα:
Βήμα 1: Μεταφορά μάζας – Προσρόφηση και πρόσληψη
Η επιστρεφόμενη ιλύς προσροφά άμεσα φυσικά κολλοειδείς ουσίες και αδιάλυτο BOD από τα λύματα, ακολουθούμενη από σταδιακή πρόσληψη διαλυτών οργανικών ουσιών σε μικροβιακά κύτταρα για μεταβολική αποικοδόμηση.
Βήμα 2: Μεταβολικός Μετασχηματισμός – Βιοαποικοδόμηση
Τα οργανικά υφίστανται μεταβολικές μετατροπές που περιλαμβάνουν υδρόλυση, γλυκόλυση (υδατάνθρακες), αποκαρβοξυλίωση, απαμίνωση (πρωτεΐνες) και β-οξείδωση (λιπίδια). Στη συνέχεια, τα αποσυντιθέμενα υποστρώματα εισέρχονται στον κύκλο TCA και στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων για να παράγουν ενέργεια, με διοξείδιο του άνθρακα και νερό ως τελικά μεταβολικά παραπροϊόντα.
Βήμα 3: Κροκίδωση – Δημιουργία καλά καθιζόμενων κροκίδων
Καθώς η οργανική συγκέντρωση μειώνεται, οι μικροοργανισμοί εισέρχονται στη φάση της ενδογενούς αποσύνθεσης. Τα πολυμερή πολυσακχαριτών εκκρίνονται γύρω από τις κυτταρικές επιφάνειες για να ενισχύσουν τη συνοχή, σχηματίζοντας πυκνές, καθιζάνουσες κροκίδες που επιτυγχάνουν διαχωρισμό στερεού-υγρού στη δεξαμενή τελικής καθίζησης.
IV. Περιβαλλοντικές συνθήκες για την υποβάθμιση της οργανικής ύλης
- Θερμοκρασία: 20–30°C, ρυθμίζει την μικροβιακή ενζυματική δραστηριότητα
- Θρεπτικά συστατικά: BOD : N : P = 100 : 5 : 1; Απαιτούνται επιπλέον ιχνοστοιχεία K, Ca, Fe, Mg
- Διαλυμένο οξυγόνο (DO): 0,5–1 mg/L στην είσοδο της δεξαμενής, 2–3 mg/L στην έξοδο. Ο μεταβολικός ρυθμός μειώνεται απότομα όταν το DO είναι κάτω από 0,5 mg/L
- Τιμή pH: 6,5–7,5, βέλτιστη σε ελαφρώς αλκαλικό 7,2–7,4. Οι μικροοργανισμοί δεν μπορούν να επιβιώσουν σε pH < 4 ή pH > 10
- Τοξικές ουσίες: Κατάταξη τοξικότητας βαρέων μετάλλων: Ag > Hg > Sn > Cu > Cd > Cr
