Oczyszczanie biologiczne polega na wykorzystaniu mikroorganizmów do rozkładu substancji organicznych zawartych w ściekach; dzieli się je zasadniczo na oczyszczanie biologiczne beztlenowe i tlenowe.
Beztlenowe oczyszczanie biologiczne: Zasada beztlenowego oczyszczania biologicznego polega na wykorzystaniu mikroorganizmów beztlenowych do metabolizowania substancji organicznych w środowisku pozbawionym tlenu, przekształcając je w metan (CH₄), dwutlenek węgla (CO₂) oraz niektóre inne produkty pośrednie. Proces ten znany jest jako fermentacja beztlenowa.
Biologiczne oczyszczanie tlenowe: W warunkach tlenowych mikroorganizmy w procesie oddychania przekształcają materię organiczną w dwutlenek węgla i wodę, usuwając jednocześnie zanieczyszczenia, takie jak azot amonowy i fosfor.
W trakcie procesu oczyszczania beztlenowego należy monitorować następujące parametry:
pH
Mikroorganizmy beztlenowe są wrażliwe na pH środowiska, zwłaszcza w warunkach kwaśnych lub zasadowych, w których ich aktywność metaboliczna może ulec zahamowaniu. Optymalny zakres pH dla większości mikroorganizmów beztlenowych wynosi 6,5–8,0. Monitorowanie pH pomaga ustalić, czy w systemie panują odpowiednie warunki środowiskowe, oraz zapobiega nadmiernemu zakwaszeniu lub zasadowieniu.
Tlen rozpuszczony (DO)
Podczas oczyszczania beztlenowego stężenie tlenu rozpuszczonego powinno być bliskie zeru, ponieważ mikroorganizmy beztlenowe rozwijają się w środowisku pozbawionym tlenu. Zbyt wysokie stężenie tlenu rozpuszczonego może hamować aktywność mikroorganizmów beztlenowych. Stężenie tlenu rozpuszczonego monitoruje się zazwyczaj za pomocą elektrody tlenowej (np. czujnika DO), aby zapewnić środowisko beztlenowe.
Chemiczne zapotrzebowanie na tlen (COD)
ChCZ jest ważnym wskaźnikiem stężenia substancji organicznych w ściekach. Celem oczyszczania beztlenowego jest rozkład substancji organicznych w wyniku aktywności mikroorganizmów, co pozwala obniżyć poziom ChCZ w ściekach. Regularne monitorowanie ChCZ pomaga ocenić skuteczność usuwania zanieczyszczeń w procesie oczyszczania beztlenowego oraz ustalić, czy osiągnięto pożądany poziom oczyszczenia.
Azot ogółem (TN) i azot amonowy (NH₃-N)
Źródła azotu, takie jak azot amonowy, mogą również ulegać rozkładowi podczas procesu oczyszczania beztlenowego, zwłaszcza w odpowiednich warunkach, w których denitryfikacja beztlenowa pozwala na usuwanie azotu. Monitorowanie stężeń azotu całkowitego i azotu amonowego pomaga ocenić skuteczność usuwania azotu oraz zapobiega przedostawaniu się nadmiernych ilości azotu do dalszych odcinków cieków wodnych, co mogłoby prowadzić do eutrofizacji.
Temperatura
Temperatura ma bezpośredni wpływ na aktywność mikroorganizmów beztlenowych. Proces fermentacji beztlenowej przebiega najskuteczniej w zakresie temperatur 30–40°C (fermentacja beztlenowa mezofilowa). Zbyt wysokie lub zbyt niskie temperatury mogą wpływać na szybkość reakcji i skuteczność przetwarzania. Utrzymanie temperatury w optymalnym zakresie ma kluczowe znaczenie dla sprawnego przebiegu procesu beztlenowego.
Prawie wszystkie czujniki jakości wody firmy KACISE są wyposażone w czujniki temperatury.
W trakcie procesu oczyszczania tlenowego należy monitorować następujące parametry:
Tlen rozpuszczony (DO)
Tlen rozpuszczony ma zasadnicze znaczenie dla metabolizmu mikroorganizmów tlenowych. Mikroorganizmy potrzebują tlenu do oddychania tlenowego w celu rozkładu materii organicznej. Zbyt niskie stężenie tlenu rozpuszczonego może prowadzić do spadku aktywności mikroorganizmów, co wpływa na skuteczność oczyszczania. Z kolei zbyt wysokie stężenie tlenu rozpuszczonego może powodować marnotrawstwo energii. Poziom tlenu rozpuszczonego jest zazwyczaj monitorowany w czasie rzeczywistym za pomocą czujników DO, aby zapewnić utrzymanie go w odpowiednim zakresie (zazwyczaj 2–4 mg/l).
pH
Wartość pH wpływa na aktywność metaboliczną mikroorganizmów oraz na skuteczność rozkładu materii organicznej. Mikroorganizmy tlenowe są najbardziej aktywne w środowiskach obojętnych lub lekko zasadowych. Skrajnie kwaśne lub zasadowe warunki mogą hamować aktywność mikroorganizmów, a nawet powodować awarię systemu. Aby zapewnić prawidłowy metabolizm mikroorganizmów, wartość pH zazwyczaj utrzymuje się w przedziale 6,5–8,5.
Chemiczne zapotrzebowanie na tlen (COD)
Chemiczne zapotrzebowanie na tlen (COD) jest powszechnie stosowanym wskaźnikiem stężenia substancji organicznych w ściekach. Wyższa wartość COD wskazuje na wyższe stężenie zanieczyszczeń organicznych w wodzie. Głównym celem oczyszczania tlenowego jest usunięcie tych substancji organicznych i obniżenie wartości ChZT. Regularne monitorowanie stężenia ChZT w wodzie dopływającej i odprowadzanej pomaga ocenić skuteczność oczyszczania tlenowego. Oczyszczanie tlenowe może znacznie obniżyć wartość ChZT w ściekach, a stężenie ChZT w ściekach odprowadzanych musi zazwyczaj spełniać normy prawne.
Biochemiczne zapotrzebowanie na tlen (BOD)
BOD odzwierciedla biologiczne zapotrzebowanie na tlen niezbędne do rozkładu substancji organicznych w wodzie. Jest to ważny wskaźnik jakości wody i poziomu zanieczyszczenia. Podczas oczyszczania tlenowego mikroorganizmy rozkładają substancje organiczne zawarte w BOD do dwutlenku węgla i wody w procesie oddychania tlenowego. Regularne pomiary wartości BOD służą do oceny skuteczności oczyszczania przez system oczyszczania. Najczęściej monitorowanym wskaźnikiem jest BOD5 (pięciodniowe biochemiczne zapotrzebowanie na tlen).
Azot amoniakalny (NH₃-N)
Azot amonowy jest powszechnym zanieczyszczeniem azotowym występującym w ściekach. Mikroorganizmy tlenowe mogą przekształcać azot amonowy w azotan w procesie nitryfikacji. Zbyt wysokie stężenie azotu amonowego może hamować aktywność mikroorganizmów i wpływać na skuteczność oczyszczania. Monitorowanie stężenia azotu amonowego zapewnia jego skuteczne usuwanie z systemu, zapobiegając wtórnemu zanieczyszczeniu środowiska.
Azot ogółem (TN)
Azot całkowity obejmuje azot amonowy, azot azotanowy oraz inne formy azotu. Reakcje nitryfikacji zachodzące w procesie oczyszczania tlenowego przekształcają azot amonowy w azot azotanowy. Nadmierna nitryfikacja może jednak prowadzić do gromadzenia się azotu azotanowego. Monitorowanie stężenia azotu całkowitego, zwłaszcza w systemach wyposażonych w urządzenia do usuwania azotu, zapewnia prawidłowy przebieg nitryfikacji i zapobiega nadmiernemu gromadzeniu się azotu.
Temperatura
Temperatura ma istotny wpływ na tempo metabolizmu mikroorganizmów oraz skuteczność oczyszczania. Zasadniczo mikroorganizmy wykazują największą aktywność w zakresie temperatur od 20 do 35°C. Zbyt wysoka lub zbyt niska temperatura wpływa na wzrost mikroorganizmów oraz skuteczność oczyszczania ścieków. Czujniki temperatury służą do monitorowania temperatury w reaktorze i zapewnienia, że utrzymuje się ona w optymalnym zakresie.
Całkowita zawartość cząstek stałych w zawiesinie (TSS)
Wskaźnik TSS odzwierciedla stężenie cząstek zawieszonych w wodzie. Podczas oczyszczania tlenowego cząstki zawieszone w ściekach są zazwyczaj rozkładane przez mikroorganizmy (np. osad czynny). Nadmierna zawartość TSS może prowadzić do zatykania się systemu, co wpływa na przepływ ścieków. Monitorowanie stężenia TSS zapobiega nadmiernemu gromadzeniu się zawiesin, zapewniając aktywność mikroorganizmów i przepływ ścieków w reaktorze.
Zawartość zawiesin w mieszaninie cieczy (MLSS)
MLSS oznacza stężenie zawiesin w mieszaninie, w tym osadu czynnego i nieprzetworzonej materii organicznej. Stężenie MLSS wpływa na wydajność systemu oczyszczania tlenowego. Stężenie MLSS jest zazwyczaj utrzymywane w zakresie 2000–5000 mg/l, aby zapewnić odpowiednią liczbę mikroorganizmów niezbędnych do rozkładu substancji organicznych zawartych w wodzie.
