Biološki tretman otpadnih voda: aerobni i anaerobni procesi u službi prečišćavanja

Osnove biološkog tretmana

U biološkom tretmanu, mikroorganizmi – bakterije, protozoe, gljivice i drugi organizmi – metabolišu organske i neorganske zagađivače iz otpadne vode, koristeći ih kao izvore ugljenika i energije za sopstveni rast i razmnožavanje. Produkti ovih metaboličkih procesa su uglavnom ugljen-dioksid, voda i nova biomasa (mulj), čime se organski supstrat pretvara u stabilnija i manje štetna jedinjenja (Henze i sar., 2008).

Ključni parametri koji određuju efikasnost biološkog procesa uključuju: organsko opterećenje (BPK5 i HPK), starost mulja (SRT – Sludge Retention Time), vreme hidrauličkog zadržavanja (HRT), temperaturu, pH vrednost, koncentraciju rastvorenog kiseonika (za aerobne procese) i prisustvo inhibitornih ili toksičnih materija. Razumevanje interakcija između ovih parametara osnova je za uspešno projektovanje i vođenje bioloških procesa (Tchobanoglous i sar., 2014). Mikrobiološke zajednice u bioreaktoru su složeni ekosistemi u kojima se odvija stalna kompetitivna dinamika između različitih funkcionalnih grupa mikroorganizama, te svaka značajnija promena procesnih uslova može narušiti uspostavljenu ravnotežu.

Proces aktivnog mulja

Proces aktivnog mulja (Activated Sludge Process – ASP) najrasprostranjenija je tehnologija biološkog tretmana komunalnih otpadnih voda u svetu. Razvijen početkom 20. veka, ovaj proces se zasniva na mešavini otpadne vode i flokova aktivnog mulja (biomase) u aerisanim bazenima, s naknadnim odvajanjem biomase u sekundarnoj taložnici i njenim recirkulacijom u aeracioni bazen (Tchobanoglous i sar., 2014). Faze procesa su: unos otpadne vode u aeracioni bazen, aerobna razgradnja organskih materija od strane mešovite mikrobne zajednice, taloženje biomase u sekundarnom klirifikatoru i povratak aktivnog mulja u sistem.

Varijante procesa aktivnog mulja uključuju: produženu aeraciju (za manje zajednice i nestalne protoke), oksidacione jarke (kružni reaktori s površinskim aeratorima), sekvencijalne šaržne reaktore (SBR) koji u jednom bazenu obavljaju sve faze procesa, i stepenu aeraciju. Svaka varijanta ima specifične prednosti u pogledu fleksibilnosti rada, prostornih zahteva i energetske efikasnosti (Von Sperling, 2007). Poseban izazov u eksploataciji sistema aktivnog mulja jeste kontrola filamentnih bakterija koje uzrokuju bubrenje mulja i otežavaju taloženje u sekundarnom klirifikatoru (Jenkins i sar., 2004).

Biološko uklanjanje azota: nitrifikacija i denitrifikacija

Uklanjanje azota iz otpadnih voda odvija se biološkim putem kroz dva odvojena procesa: nitrifikaciju i denitrifikaciju. Oba procesa od ključnog su značaja jer azot u obliku amonijaka i nitrata u vodenim ekosistemima doprinosi eutrofikaciji i tokičnosti po vodene organizme (Gray, 2004).

Nitrifikacija je aerobni dvostepeni proces u kome bakterije iz rodova Nitrosomonas i Nitrobacter oksiduju amonijak, najpre do nitrita, a zatim do nitrata. Ovaj proces zahteva dovoljnu koncentraciju rastvorenog kiseonika (obično veću od 2 mg/L) i dugo vreme zadržavanja biomase (visoku starost mulja), budući da su nitrifikatori sporo rastuće bakterije osetljive na temperaturne promene i inhibitore (Henze i sar., 2008). Denitrifikacija je anoksični proces u kome heterotrofne bakterije u odsustvu slobodnog kiseonika koriste nitrate kao primalac elektrona za oksidaciju organskog supstrata, prevodeći nitrate u gasoviti azot koji se oslobađa u atmosferu. Za odvijanje denitrifikacije neophodan je izvor lako biorazgradivog organskog ugljenika (Von Sperling, 2007).

Savremena postrojenja za uklanjanje azota koriste konfigurisane sekvence aerobnih i anoksičnih zona u okviru jednog sistema – npr. Ludzack-Ettinger, A2/O ili Bardenpho konfiguracije – čime se postiže simultana nitrifikacija, denitrifikacija i biološko uklanjanje fosfora uz minimalno doziranje spoljašnjih hemikalija.

Anaerobni tretman otpadnih voda

Anaerobni procesi odvijaju se u odsustvu kiseonika i predstavljaju alternativu aerobnim metodama, posebno za otpadne vode visokog organskog opterećenja. U anaerobnom procesu, organske materije razgrade se kroz seriju međusobno zavisnih mikrobioloških reakcija – hidrolizu, acidogenezu, acetogenezu i metanogenezu – pri čemu krajnji produkti su metan i ugljen-dioksid, koji zajedno čine biogas (Metcalf i Eddy, 2014). Biogas predstavlja dragocen izvor obnovljive energije koji se koristi za pokrivanje dela energetskih potreba samog postrojenja.

UASB reaktor (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) jedan je od najprimenjivanijih anaerobnih sistema, posebno u industriji i toplim klimatskim pojasevima. Otpadna voda prolazi naviše kroz sloj granularnog anaerobnog mulja visoke aktivnosti, u kome se odvija razgradnja organskih materija. Prednosti UASB procesa uključuju visoku efikasnost uklanjanja HPK (do 85–90%), produkciju biogasa kao obnovljivog izvora energije i mali višak mulja (Henze i sar., 2008). Anaerobna digestija mulja, kao posebna primena anaerobnih procesa, integralni je deo upravljanja muljem u komunalnim PPOV, gde se koristi za stabilizaciju i smanjenje zapremine mulja uz produkciju biogasa.

Zaključak

Biološki tretman otpadnih voda, zahvaljujući svojoj efikasnosti, ekonomičnosti i ekološkoj kompatibilnosti, ostaje kičma savremenih sistema prečišćavanja. Razumevanje mikrobnih zajednica i procesnih parametara, kao i pravilna primena aerobnih i anaerobnih procesa u zavisnosti od karakteristika otpadnih voda, ključ su uspešnog vođenja postrojenja. Kontinuirani razvoj novih procesa i reaktorskih konfiguracija – membranski bioreaktori, reaktori s pomičnim nosačima biofilma, aerobna granularna biomasa – otvara nove mogućnosti za poboljšanje efikasnosti tretmana, smanjenje troškova i povećanje resursnog potencijala otpadnih voda. Inženjeri koji prate ove trendove i primenjuju znanje temeljeno na dokazima bit će u najboljoj poziciji da odgovore na rastuće zahteve regulatora i društva prema kvalitetu efluenta.