Že milijone let Zemlja premore neke vrste naravni »metabolizem«, ki se odvija skozi kroženje določenih elementov in materialov v okolju. Svetova organske in anorganske materije sta komplicirano prepletena med seboj. Tako v splošnem proces razgradnje v naravi poteka kot pretvorba ogljikovih in dušikovih spojin v zaključenih sistemih, kot sledi v nadaljevanju.

Princip biološkega čiščenja odpadnih vod s pomočjo filtracije se odvija na precejalnikih in pri čistilnih postopkih v tleh.

V naravi poteka proces biološkega čiščenja v okviru naravnih danosti, ki so večinoma take, da je vzpostavljeno stabilno ravnotežje.

Kroženje ogljika in dušika

Če pričnemo pri neživi organski snovi, se ogljik v organski obliki pretvarja v ogljikov dioksid ob respiratorni aktivnosti mikroorganizmov. S procesom fotosinteze se ogljik v obliki ogljikovega dioksida vgrajuje v rastline, del ogljika pa se vrne v anorgansko obliko zaradi respiracije rastlin. Ostanek ogljika konča v obliki nežive organske snovi ali pa ga asimilirajo živali.

Ogljik, ki se sprošča iz živalskih organizmov, preden ti odmrejo, se spremeni neposredno v ogljikov dioksid v procesu dihanja ali pa se pretvarja v živalskem telesu v sečnino in druge organske spojine, ki se ob dejavnosti mikroorganizmov spreminjajo v ogljikov dioksid. Potek ogljikovega cikla prikazuje slika 2.

Pretvorba ogljikovih spojin v zaključenem sistemu

Slika - Pretvorba ogljikovih spojin v zaključenem sistemu

Za dušik velja podoben proces kot pri ogljiku. Dušik v neživi organski snovi pretvarjajo mikroorganizmi najprej v amoniak, nato v nitrite in končno v nitrate. Proces imenujemo nitrifikacija. Dušik v obliki amoniaka ali nitratov asimilirajo rastline in ga vgrajujejo v beljakovine. Živali, ki se hranijo z rastlinami, uporabljajo dušik za izgradnjo svojih lastnih beljakovin. Glavni končni produkt metabolizma dušika pri večini živali je sečnina. Dušik v sečnini se s pomočjo mikroorganizmov pretvori nazaj v amoniak, nitrite in nitrate.

Nekatere vrste fakultativno aerobnih bakterij (precej jih je mogoče najti tudi v aktivnem blatu čistilnih naprav) pa se pri pomanjkanju kisika oskrbujejo s kisikom tako, da ga odvzemajo molekulam nitritov in nitratov. Redukcija teče v anoksičnih pogojih vse do plinske oblike elementarnega dušika (N2), kot kaže naslednja enačba:

NO3-        --->        NO2-        --->              NO      --->       N2O      -->       N2            

Pretvorba dušikovih spojin v zaključenem sistemu

Slika - Pretvorba dušikovih spojin v zaključenem sistemu

Iz podanih shem je razvidno (denitrifikacija je na sliki 3 prikazana s črtkano črto), da imata ogljik in dušik ciklično pot, ki se giblje med organsko in anorgansko obliko. To velja tudi za druge elemente. Navedeni princip se odvija v ekosistemu ne glede na to, ali je to gozd, polje, tekoča ali stoječa voda. Za vse navedene procese je najpomembneje, da se elementi pretvarjajo iz organske oblike v anorgansko po poti biološke oksidacije, kot sledi:

               mikroorganizmi

organski C + O2      -------------------->         CO2

                 mikroorganizmi

organski N + O2      -------------------->         NO3 -

                   mikroorganizmi

organski H +  O2      -------------------->         H2O

                   mikroorganizmi

    organski P + O2      -------------------->        PO4 3-

                 mikroorganizmi

   organski S + O2      -------------------->         SO4 2-   

 

Ravnotežje med rastjo in razgradnjo organske snovi

Biološko čiščenje vode sestavljajo raznoliki tipi fermentacije. Fermentacija pomeni razkroj določenih organskih substanc. Ta proces pogosto spremlja sproščanje nekaterih plinov zaradi delovanja encimov, ki jih izločajo mikroorganizmi.

Pri spremljanju bioloških procesov in udeležencev v teh procesih, je potrebno razlikovati med dvema glavnima skupinama organizmov:

  • heterotrofi (živali, bakterije, glive) in
  • avtotrofi (rastline).

Heterotrofni organizmi niso sposobni sami proizvajati hrane, zato se hranijo s snovmi, nastalimi v drugih organizmih. Organsko materijo uporabljajo za proizvodnjo energije skozi proces oksidacije oz. dihanja (energijski metabolizem). Pri tem organsko materijo (npr. sladkor) pretvarjajo v ogljikov dioksid in vodo. Precejšen odstotek absorbiranega organskega materiala pa se uporabi tudi za sintezo celic (rastni metabolizem).

Avtotrofni organizmi za razliko od heterotrofov sami sintetizirajo organsko substanco iz ogljikovega dioksida in vode v procesu fotosinteze, pri čemer uporabljajo energijo svetlobe.

V življenjskem okolju, ki je uravnoteženo, je kroženje snovi med rastjo in razgradnjo organskih snovi zaključeno. Avtotrofni organizmi gradijo organsko snov iz anorganske snovi, pri tem se sprošča kisik, porablja pa se visokovredna energija svetlobe (UV). Heterotrofni organizmi razgrajujejo organsko snov, pri tem se sprošča toplota, kisik pa porablja za oksidacijo.

Tiste, ki narekujejo potek razgradnje organske materije in s tem biološko čiščenje, so v prvi vrsti bakterije. Bakterije uporabljajo hranila za svojo rast in razmnoževanje in so začetni člen prehranjevalne verige.

Rast bakterijske kulture

Za mikroorganizme, ki sodelujejo pri biološkem razkroju, je značilno, da se neka vrsta organizmov najprej razvija s pospešeno hitrostjo (eksogena faza), ko prične organske snovi primanjkovati, pa začne rast upadati, dokler se popolnoma ne ustavi. Ko zmanjka hranilnih snovi, prične upadati koncentracija naselitve, število organizmov se zmanjšuje (endogena oz. autooksidacijska faza). Ko ni več pogojev za rast neke vrste mikroorganizmov, se pojavi druga vrsta, ki se hrani s preostalo organsko snovjo ali z organizmi v prejšnji fazi odmrle vrste. Proces se ponavlja tako, da si sledijo vedno nove in višje razvite vrste organizmov.

Tukaj je treba pripomniti, da bakterije pričnejo najprej z razgradnjo tistih snovi, ki so najhitreje razgradljive, zato v sveži odpadni vodi prevladujejo predvsem vrste, ki razgrajujejo ogljikove spojine, sledijo pa jim vrste, ki razgrajujejo dušikove spojine. Vse reakcije, ki se odvijajo med posameznimi oblikami življenjskih združb, temeljijo na upadanju koncentracije hrane.

Razmerje med količino hranil in maso organizmov določa in narekuje metabolične procese in vzporedno z njimi tudi faze rasti in potrebe po kisiku. Tako lahko zaradi biološke razgradnje prepoznamo sledeče faze rasti sodelujočih organizmov.

Faza prilagajanja (1)

V začetni fazi prilagajanja se formirajo encimi za razgradnjo makromolekulskih komponent. Natančna poraba kisika v tej fazi zaenkrat še ni bila izmerjena.

Faza rasti (2)

Za fazo rasti (eksponentno fazo) je značilna prisotnost večjih količin hranil oz. organskega substrata, ki so na voljo za maksimalno rast in razmnoževanje organizmov ter razkroj organskega substrata.

Faza pojemanja (3)

Za fazo pojemanja (deklinacijsko fazo) je značilno usihanje nekaterih, za bakterijsko rast pomembnih elementov. To ima za posledico upadanje številčnosti kulture in v nekaterih primeri upočasnitev rasti zaradi akumulacije inhibitorskih produktov bakterijskega metabolizma.

Faza mirovanja (4)

V fazi mirovanja (stacionarni fazi) se mikroorganizmi prenehajo množiti zaradi omejenih količin hrane. Iz istega razloga se pričenja tudi razkroj celičnih substanc, medtem ko se razgradnja organskega substrata počasi zmanjšuje.

Faza odmiranja (5)

V fazi odmiranja (endogena faza) so vsa hranila porabljena in mikroorganzimi oksidirajo svoje lastne celične substance, ki so jih izgradili iz zadnjih rezerv hranil. Porabo kisika v glavnem določa proces notranjega dihanja.

Pri procesu biološke razgradnje pa ne smemo pozabiti tudi na vlogo organizmov, ki so bolj kompleksni od bakterij in prav tako sodelujejo v procesu razgradnje. Na čistilnih sistemih, kot so talni biološki filtri in precejalniki, na primer najdemo razne oblike muh, črvov, pajkov itd., ki se hranijo z bakterijskim substratom. Vendar je v večini primerov (npr. v bazenih z aktivnim blatom) prisotnost teh organizmov redka.

Krivulja rasti bakterij

Slika - Krivulja rasti bakterij

Razgradnja organskega substrata

Voda v naravi ima sposobnost, da se sama čisti. Organizme, ki v bioloških procesih sodelujejo, imenujemo s skupnim imenom biološka ruša oz. biološko blato in so sestavni del življenjskih združb, ki delujejo tako kot tiste v biološki čistilni napravi, kjer je učinek v veliki meri odvisen od ustrezne koncentracije biološkega blata.

Ko izteka iz hišne napeljave, je odpadna voda še sveža, saj se v njej razkrojni procesi še niso pričeli. Najverjetneje bi bila brez kakršnegakoli zadaha, če ne bi vsebovala tudi fekalij, ki so bile podvržene procesu gnitja že v človekovih prebavilih. Kadar takšno odpadno vodo zberemo in hranimo v odprtem zbiralniku, se v njej kmalu prične odvijati proces sedimetacije – trdni delci se v roku dveh ur usedejo na dno zbiralnika. V vodi ostane organska in anorganska koloidna (na pol raztopljena) materija, ki je prav tako podvržena gnitju. Tudi v usedlini na dnu se pod vplivom mikroorganizmov – večinoma bakterij – prične gnitje.

Proces razkroja organskega substrata v odpadni vodi se odvija v dveh fazah.

Prva faza – aerobni razkroj

V prvi fazi nastopijo bakterije, ki za svoj obstoj potrebujejo kisik (aerobne bakterije) in se uspešno ter hitro razmnožujejo v zanje ugodnih pogojih (veliko organskih snovi in dovolj kisika). Hraneč se z organsko materijo, vršijo oksidacijo in izločajo ostanke v obliki mineralnih snovi (mineralizacija organske materije).

Spreminjanje koncentracij dušikovih spojin pri aerobnih pogojih
V aerobnih pogojih lahko odstranjujemo iz odpadne vode razgradljive organske spojine, istočasno pa poteka v sistemu tudi pretvorba organskega dušika najprej v amonijevo obliko (NH4+), nato oksidacija amonijevega iona v nitrit (NO2-) in nato v nitrat (NO3-).

Slika - Spreminjanje koncentracij dušikovih spojin pri aerobnih pogojih

Druga faza – anaerobni razkroj

Če dalj časa v sistemu ni prisotnega raztopljenega kisika, lahko začnejo delovati anaerobne bakterije (slednje za svoj obstoj in razmnoževanje ne potrebujejo kisika), ki najprej predelajo kompleksnejše organske spojine v nižje maščobne kisline, nato pa v uporabni bioplin metan (CH4) in stranske produkte (CO2). V sistemu obvezno sodelujeta tudi dušik in žveplo.

Zaradi nizkega redoks potenciala se dušik pretvori v amoniak (NH3) in žveplo v vodikov sulfid (H2S) ali v nekatere druge organske oblike žveplovih komponent kot so npr. merkaptanti.

V času aerobne in anaerobne faze se delci v usedlini s pomočjo mehurčkov dvigajo na površino in tam tvorijo skorjo, sestavljeno iz pene in čvrstih delcev. Medtem inficirajo tudi tekočo fazo in isti procesi, ki so se odvijali v usedlini, se pričnejo vršiti tudi v tekočini. Pri tem se mineralizira še koloidna materija, ki se nahaja v vodi in voda zaradi tega postaja vse bolj bistra.

V opisanem procesu aerobnega in anaerobnega procesa je odpadna voda očistila samo sebe s pomočjo mikroorganizmov, ki se vedno nahajajo v njej in v zraku. Aerobne bakterije so se v ugodnih razmerah razmnožile, izvršile mineralizacijo organske materije s pomočjo oksidacije in poginile. Nasledile so jih anaerobne bakterije, v njim ugodnem okolju dovršile mineralizacijo s pomočjo redukcije in na koncu tudi same poginile. Plini, ki so pri teh procesih nastali, so se izgubili v atmosfero, na dnu je ostala relativno zelo majhna količina mineralnih usedlin brez organske materije, nad njimi pa skoraj čista voda brez zadaha in z nekaj oslabelimi patogenimi klicami.

Opisan samočistilni proces, ki je tudi osnova napravam za čiščenje odpadne vode, traja zelo dolgo, v normalnih pogojih od 30 do 50 dni. Do njega prihaja v vseh vodah, ki vsebujejo organsko materijo.

Oba procesa je mogoče ilustrirati skozi razgradnjo glukoze:

Aerobni pogoji

C6H12O      ----------------->         6 CO2  +  6 H2O  +  2,72 kJ.mol-1

Anaerobni pogoji

C6H12O6      ----------------->         3 CO2  +  3 CH4  +  0,144 kJ.mol-1

Na splošno velja, da je aerobni razkroj hitrejši in poteka brez slabega zadaha v nasprotju z anaerobnim, kjer se pojavljajo vmesni produkti, kot so vodikov sulfid, amoniak, metan in nizko molekularne maščobne kisline. Zaradi tega je aerobni razkroj veliko bolj zaželen od anaerobnega in se ga uporablja pri večini čistilnih sistemov.

Pozitivni lastnosti anaerobnega razkroja pa sta manjša količina biološkega blata, ki se proizvede med procesom, in metan, katerega lahko uporabimo kot vir energije.

Vsi biološki postopki čiščenja temeljijo na dejavnosti mikroorganizmov, ki jih v glavnem najdemo v naravi. Razlika je v tem, da so mikroorganizmi, ki sodelujejo v umetno ustvarjenem procesu (v čistilni napravi), koncentrirani, torej so na nekem mestu zastopani v veliko večjem številu kot v naravnem okolju. Koncentracija oziroma gostota porazdelitve mikroorganizmov je visoka, prav tako tudi zastopanost različnih vrst mikroorganizmov, zato so hitrosti čiščenja mnogo višje kot v procesih samočiščenja v naravnem okolju.

Učinki čiščenja so pri dobro delujočih čistilnih napravah precej podobni kot pri naravnem čiščenju oz. običajno celo nekoliko nižji, saj je pri naravnih postopkih v končni fazi dosežen 100% učinek.

Pri čiščenju odpadnih vod se količina substrata ob konstantni masi mikroorganizmov običajno ravna po krivulji, kot jo prikazuje slika 6.

Shematski prikaz eliminacije organskega substrata

Slika - Shematski prikaz eliminacije organskega substrata

Kislo in metansko vrenje

V pogojih anaerobnega vrenja se v mulju prične najprej kislo vrenje, po dolgem času (nekaj mesecev) pa tudi metansko vrenje.

Pod vplivom kislega vrenja mulj ostaja po količini skoraj nespremenjen, je rumenkasto sive barve, gost in žilav, kisel (pH < 6), težko se suši in neznosno smrdi. Zaradi teh lastnosti je tak svež mulj neprimeren za nadaljnjo obdelavo.

Fazi kislega vrenja postopno sledi metansko (alkalno) vrenje. Mulj postane črn, tekoč, lahko se suši, pH > 7, ne smrdi in količina pregnitega biološkega blata je štirikrat manjša od količine svežega. Tako ima metansko vrenje mnoge dobre lastnosti in se pri biološki obdelavi tudi s pridom uporablja (daje se mu prednost pred kislim vrenjem).

Dejavniki, ki vplivajo na biološki čistilni proces

Biološka razgradnja komunalnih odpadnih vod je odvisna od mnogih dejavnikov:

  • sestave odpadne vode,
  • volumski indeks blata - VIB (Sludge Volume Index - SVI),
  • koncentracije mikroorganizmov,
  • koncentracije kisika in
  • temperature.

Sestava odpadne vode

Sestava odpadne vode je zelo pomemben faktor pri sposobnosti vode za razgradnjo s pomočjo mikroorganizmov. Nekatere substance imajo visoko stopnjo biorazgradljivosti, druge nizko. Nivo je odvisen tudi od prilagodljivosti sodelujočih mikroorganizmov, ali so le-ti sposobni sintetizirati potrebne encime ali skupine encimov za razgradnjo.

Primeri biološko nerazgradljivih substanc so npr.: celuloza, lignin, tanin, ipd.

Mikroorganizmi za svojo rast potrebujejo in izkoriščajo praktično vse vire dušika, metaboliziran dušik pa služi izgradnji esencialnih beljakovin, nukleinskih kislin in celičnih sten.

Odpadne vode morajo vsebovati tudi zadostne količine drugih anorganskih substanc, kot so natrij, kalij, kalcij, magnezij, železo, mangan, baker in žveplo, ki so potrebni gradniki za razvoj in razmnoževanje celic.

Količina biomase

V vsakem fermentacijskem procesu je masa mikroorganizmov pomemben dejavnik, vendar je prav tako pomembna tudi njihova aktivnost. Pri biološkem čiščenju je zato pomembno optimizirati razmerje med proizvodnjo biomase in aktivnostjo mikroorganizmov.

Kisik

Kisik je življenjsko pomemben za aerobne mikroorganizme. Nekateri čistilni sistemi so zgrajeni tako, da se vanje dovaja kisik. Le 5–15% kisika, dovedenega v vode, se lahko porabi za biološke aktivnosti v odpadnih vodah, zato mora biti zagotovljena neprekinjena aeracija. Vsakršna prekinitev dovoda kisika (odvisno od trajanja) lahko pomeni ali inhibicijo ali popolno ustavitev procesa aerobne razgradnje.

Temperatura

Temperatura odpadne vode je običajno višja od temperature zraka, razen v najbolj vročih poletnih mesecih. Odvisno od geografskih dejavnikov in letnega časa niha med 5 in 20°C.

Optimalna temperatura za aktivnost bakterij v odpadni vodi niha nekje med 25 in 35°C. Aerobna razgradnja in nitrifikacija se ustavita, če temperatura naraste na 50°C. Kadar temperatura pade na 15°C ali manj, se aktivnost bakterij, ki proizvajajo metan, zelo zmanjša. Pri temperaturi pod 12°C avtotrofne bakterije, ki sodelujejo pri procesu nitrifikacije, postanejo neaktivne. Pri 2°C celo kemoheterotrofne bakterije, ki razgrajujejo ogljikove spojine, preidejo v fazo mirovanja.

Temperatura vode prav tako vpliva na topnost kisika v vodi. Kisik je manj topen v topli kot v hladni vodi.

Temperatura odpadne vode ne bi smela variirati, saj takšna nihanja zelo vplivajo na biološki proces. Biološka aktivnost naj bi se celo podvojila, kadar temperatura naraste za 10°C. V praksi pa se je pokazalo, da se z večanjem koncentracije biološkega blata vpliv temperature na biološki proces manjša.

pH-vrednost

Hišne odpadne vode imajo ponavadi pH-vrednost med 6 in 8 in so tudi na podlagi te lastnosti precej dovzetne za biološko oksidacijo.

Bazičnost ali alkalnost rezultira iz prisotnosti hidroksidov, karbonatov in bikarbonatov elementov kalcija, magnezija, natrija, kalija ali amoniaka. Najpogostejša sta kalcijev in magnezijev bikarbonat. Tudi borati, silikati, fosfati in podobne komponente lahko prispevajo k alkalnosti.

pH-vrednost odpadne vode vpliva na kemijsko in ekološko ravnovesje vodnega okolja. Velik vpliv ima tudi na mikrobno rast in naselitveno populacijo v vodah.

Kisline, baze in soli lahko v vodah učinkujejo na več različnih načinov:

  • kot direktni porabniki kisika,
  • kadar se pojavijo enostavne, hitro razkrojljive ogljikove kisline, pride zaradi hitre mineralizacije do tvorbe ogljikovega dioksida, ki lahko pospešuje rast (cvetenje),
  • sprememba vrednosti pH lahko direktno in indirektno vpliva na metabolizem,
  • kisline, baze in soli lahko učinkujejo kot strupi (ovirajo proces samočiščenja ali ga celo zavro).