Úvod: Dnes se seznámíme s protagonistou biologického čištění – aktivovaným kalem (přenašečem různých mikroorganismů). Hraje klíčovou roli v procesech biologického čištění, odstraňuje znečišťující látky, jako je CHSK, amoniakální dusík, celkový dusík a celkový fosfor z odpadních vod prostřednictvím různých mikroorganismů v kalu. Kdo navštívil čistírny odpadních vod, může cítit slabý bahnitý zápach; to je vůně aktivovaného kalu!
01 Původ aktivovaného kalu
Aktivovaný kal byl poprvé objeven v roce 1912 Clarkem a Gagem ve Velké Británii, pocházející z malého experimentu. Při dlouhodobém provzdušňování odpadních vod vznikly kaly a výrazně se zlepšila kvalita vody. Arden a Lockgtt následně tento jev studovali.
Experimenty s provzdušňováním byly prováděny v lahvích. Na konci každého denního experimentu byly lahve vyprázdněny a proces začal znovu další den. Náhodou zjistili, že protože láhve nebyly důkladně vyčištěny, byl účinek úpravy ve skutečnosti lepší, když se na stěnách láhve přilepil kal. Uvědomili si důležitost kalu, který zůstal na stěnách láhve, a pojmenovali jej aktivovaný kal.
Následně před koncem každého denního pokusu nechali provzdušněnou odpadní vodu usadit, vyřadili pouze vrchní vrstvu vyčištěné vody a na dně nechali kal pro použití další den. Tím se výrazně zkrátila doba čištění odpadních vod.
V roce 1916 byla tímto experimentálním procesem postavena první čistírna odpadních vod s aktivovaným kalem.
02 Strukturní složení a fyzikální vlastnosti aktivovaného kalu
Aktivovaný kal je vločkovitá látka tvořená směsí mikrobiálních společenstev, jako jsou bakterie, houby, prvoci a metazoa, se suspendovanými a koloidními látkami v odpadních vodách. Má silnou schopnost adsorbovat a rozkládat organickou hmotu a dobré sedimentační vlastnosti a má biochemickou aktivitu.
Vločky a vláknité bakterie jsou důležitou součástí aktivovaného kalu.
Vločky vznikají agregací bakterií s hlenem nebo kapslemi. Adsorbují nečistoty a volné mikroorganismy v odpadních vodách, poskytují aktivovanému kalu vynikající usazovací vlastnosti a chrání mikroorganismy v odpadní vodě před požitím nebo otravou.
Vláknité bakterie tvoří kostru aktivovaného kalu. Rostou a prodlužují se pod nánosem vloček, což způsobuje, že vločky tvoří větší částice při zachování kyprosti aktivovaného kalu.
Aktivovaný kal je obecně žlutý nebo hnědo{0}}žlutý. Zčerná, když je přívod kyslíku nedostatečný nebo anaerobní, a šedo-bílý, když je přívod kyslíku nadměrný a živiny jsou nedostatečné. Aktivovaný kal má vysoký obsah vody, obecně nad 99 %, a jeho hustota je podobná vodě, typicky 1,002–1,003 kg/l.
03 Mikrobiální složení aktivovaného kalu
V mikroorganismech aktivovaného kalu se prvoci živí bakteriemi, zatímco metazoa se živí prvoky i bakteriemi, tvoří potravní řetězec a vyvážené biologické společenství. Bakterie aktivovaného kalu často existují ve formě vloček, přičemž méně jich existuje ve volném stavu. To dává bakteriím schopnost odolávat nepříznivým vnějším faktorům. Volné bakterie se snadno neusazují, ale mohou se na ně chytit prvoci, čímž je odpadní voda ze sedimentační nádrže čistší.
1. Bakterie
Bakterie jsou jedno-buněčné organismy. V aktivovaném kalu jsou rozmanité, četné a mají malou velikost, mají silnou schopnost adsorbovat a rozkládat organickou hmotu a hrají klíčovou roli při čištění odpadních vod.
V raných fázích kultivace aktivovaného kalu jsou bakterie v odpadní vodě z velké části volné. Jak se kal postupně tvoří, postupně se shlukují do větších skupin.
(1) Vločky: Jsou to drobné viditelné částice složené z bakterií a jimi vylučovaných želatinových látek. Většina bakterií v aktivovaném kalu je uzavřena v želatinových látkách, existujících ve formě vloček. Vločky jsou strukturním a funkčním centrem aktivovaného kalu, který má vlastnosti, jako je adsorpce, oxidační rozklad a koagulační sedimentace.
(2) Vláknité bakterie: Jedná se o typ bakterií, jejichž buňky, s kapsidami nebo bez nich, jsou spojeny dohromady a tvoří vlákna. Vláknité bakterie se často přichycují a proplétají se s bakteriálními vločkami, čímž tvoří kostru znečišťujícího kalu. Když se však množí ve velkém množství, mohou zhoršit flokulační a usazovací vlastnosti aktivovaného kalu a v závažných případech způsobit hromadění kalu.
(3) Nitrifikační bakterie Nitrifikační bakterie jsou typem autotrofních bakterií, které mohou degradovat amoniak a dusitany. Zahrnují dvě fyziologické podskupiny: *Nitrifying Bacteria* a *Nitrififying Bacteria*, které patří do nezávislé rodiny-Nitrifying Bacteria Family. Nitrifikační bakterie získávají energii k uspokojení svých metabolických potřeb oxidací anorganických sloučenin nitrifikací, přičemž jako jediný zdroj uhlíku používají CO2. Jsou to typické chemoautotrofní bakterie. Nitrifikační bakterie mají nitrifikaci, což je proces, kterým nitrifikační bakterie oxidují NH3 na NO2- za aerobních podmínek a dále jej oxidují na NO3-, čímž získávají energii potřebnou pro růst. První stupeň, oxidace NH3 na NO2-, se nazývá nitrifikace nebo oxidace amoniaku a je dokončen nitrifikačními bakteriemi; druhý stupeň, oxidace NO2- na NO3-, se nazývá nitrifikace a je dokončen nitrifikačními bakteriemi. Proto běžně diskutovaná nitrifikace ve skutečnosti zahrnuje dva stupně: nitrifikace bakteriemi oxidujícími dusitany a nitrifikace nitrifikačními bakteriemi.
(4) Denitrifikační bakterie: Denitrifikační bakterie jsou chemoheterotrofní bakterie. V podmínkách nedostatku kyslíku- redukují dusičnany na dusitany a dále redukují dusitany na plynný dusík, čímž získávají energii. To je v podstatě opak funkce nitrifikačních bakterií (příroda je tímto způsobem zajímavá, dva různé druhy bakterií dosahují cyklu dusíku). Denitrifikační bakterie jsou široce rozšířeny v půdě a odpadních vodách a hrají hlavní roli při úpravě vody v krajině, hospodaření s řekami ve městech a při úpravě akvakultury.
(5) Hydrolytické acidifikující bakterie: Jedná se o bakterie, které mohou využívat velké, složité organické molekuly pro životní aktivity v anaerobním prostředí. Hydrolýza je proces, při kterém se složité, nerozpustné polymery převádějí na jednoduché rozpustné monomery nebo dimery. Vzhledem k jejich velké relativní molekulové hmotnosti nemůže organická hmota s vysokou -molekulární- hmotností projít buněčnými membránami, a proto ji bakterie nemohou přímo využít. Nejprve se hydrolytickým působením bakteriálních extracelulárních enzymů přemění na menší molekuly. Nejtypičtější charakteristikou tohoto stadia je, že biologická reakce probíhá extracelulárně. Bakterie dokončují biokatalytické oxidační reakce uvolněním extracelulárních volných enzymů nebo imobilizovaných enzymů připojených k buněčné stěně.
A tak dále... bakterií je mnoho druhů, takže se zde prozatím zastavím. Podrobná představení jednotlivých druhů bakterií mohou být poskytnuta později.
2. Prvoci
Prvoci jsou malí, prostí, nízko{0}}jedno{1}}buněční živočichové. Velké množství prvoků existuje v aktivovaném kalu z čištění odpadních vod. Podílejí se na čištění odpadních vod požíváním organických částic. Navíc, protože prvoci jsou citliví na podmínky prostředí, jejich složení a množství se mění s variacemi prostředí; proto se často používají jako indikátorové organismy. Mezi běžné příklady patří vorticella, améby, bičíkovci a plavoucí nálevníci. Tyto mikroorganismy tvoří více než 80 % z celkového počtu. Pokud počet jedinců překročí 1000/ml, měl by být považován za aktivovaný kal s vysokou účinností čištění.
3. Mikrometazoa
Hlavní mikrometazoa v aktivovaném kalu jsou vířníci a háďátka. Obecně je počet mikroskopických metazoanů v aktivovaném kalu relativně malý. V aktivovaném kalu s nízkou zátěží, zejména v aktivovaném kalu s prodlouženým provzdušňováním, se však někdy mohou dominantními druhy stát vířníci a máloštětinatci.
04 Výkonnostní indikátory aktivovaného kalu Mikrobiální komunita zahrnuje především bakterie, prvoky a metazoa, přičemž bakterie a prvoky jsou dvě hlavní kategorie. Výkonnostní ukazatele aktivovaného kalu zahrnují: suspendované pevné látky směsného louhu (MLSS), poměr usazování kalu (SV), objemový index kalu (SVI) a index hustoty kalu (SDI).
Suspendované látky ve směsné kapalině (MLSS) představují celkovou hmotnost pevných látek aktivovaného kalu obsažené v jednotkovém objemu směsné kapaliny v provzdušňovací nádrži, tzn.
MLSS=Ma + Já + Mi + Mii
Ma – metabolicky aktivní mikrobiální komunita;
Me – zbytky z endogenního metabolismu a sebe{0}}oxidace mikroorganismů (hlavně bakterií);
Mi – Inertní organická hmota, kterou bakterie obtížně rozkládají, nesená surovou odpadní vodou;
Mii – Anorganická hmota nesená odpadní vodou.
Jednotkou je mg/l nebo kg/m³.
Těkavé suspendované látky ve směsném louhu (MLVSS) představují koncentraci organických pevných látek v aktivovaném kalu směsného louhu, tj.
MLVSS=Ma + Já + Mi
Poměr MLVSS k MLSS je vyjádřen jako f. Za normálních okolností je hodnota f relativně pevná, u domovních odpadních vod kolem 0,75.
MLVSS i MLSS lze použít k vyjádření koncentrace kalu v nádržích biologického čištění. Každodenní srovnání dat může odhalit růst aktivovaného kalu. MLVSS však vylučuje anorganickou hmotu, čímž se její hodnota přibližuje skutečnému počtu mikroorganismů.
Rychlost usazování kalu (SV), také známá jako 30minutová rychlost usazování, je procento objemu vysráženého kalu vytvořeného poté, co se směsná kapalina usadila v odměrném válci po dobu 30 minut, vyjádřená v procentech (%).
V raných fázích kultivace aktivovaného kalu lze rychlost usazování využít k prvotnímu pozorování růstu kalu. Obecně je normální, stabilní aktivovaný kal SV mezi 20-35%. Nižší SV ukazuje na nedostatečnou koncentraci kalu, zatímco vyšší SV ukazuje na příliš rychlý růst kalu (nadměrný obsah živin, pravděpodobně kvůli nadměrnému zdroji uhlíku).
Objemový index kalu (SVI), také známý jako kalový index, je objem usazeného kalu (v ml) na gram suchého kalu po 30 minutách usazování ve směsné lázni na výstupu z aerační nádrže. Vzorec pro výpočet objemového indexu kalu je:
SVI=SV/MLSS
SVI se používá k posouzení účinnosti usazování kalu a jeho normální rozmezí je typicky mezi 70 a 150 ml/g. Nízká hodnota SVI ukazuje na nízkou aktivitu kalu a vysoký obsah anorganických látek; vysoká hodnota SVI ukazuje na potenciální hromadění kalu a špatný výkon usazování.
Index hustoty kalu (SDI), běžně označovaný jako hustota, je reciproční hodnotou SVI.