הבנת בוצה פעילה (II) - כיצד לשמור על מיקרואורגניזמים 'רבייה'!

הקדמה: המסמך הקודם דן במקור ובמבנה הקהילה המיקרוביאלית של בוצה פעילה. מסמך זה מתמקד ב"כיצד לשמור על רבייה של מיקרואורגניזמים". כולנו יודעים שכאשר הסביבה מתאימה לרבייה, אורגניזמים (צמחים, בעלי חיים ומיקרואורגניזמים) נכנסים באופן טבעי למצב רבייה; כאשר הסביבה מתדרדרת, אורגניזמים מפסיקים להתרבות. אם אנו משתמשים ב"תשוקה הרבייה" האנושית כאנלוגיה, צעירים היום מתמודדים עם שלושה אתגרים עיקריים: חינוך, בריאות ודיור. שלושת ההיבטים הללו משפיעים באופן משמעותי על הנכונות שלהם להביא ילדים לעולם. כמובן שלמיקרואורגניזמים אין כל כך הרבה דרישות, והם גם לא צריכים מכוניות או בתים. כל עוד סביבת המים עומדת בדרישות הטמפרטורה, החמצן המומס, ה-pH וחומרי הזנה, הם יכולים לגדול במהירות!

למיקרואורגניזמים יש עקומת גדילה משלהם, ותהליך הגדילה שלהם משתנה עם זמינותם של חומרים מזינים. בסביבה מוגדרת, שאינה מושפעת מגורמים חיצוניים, עקומת הצמיחה של מיקרואורגניזמים תואמת את התרשים שלהלן. תהליך הגדילה כולל ארבעה שלבים: הסתגלות (שלב התאמה), שלב גדילה לוגריתמי, שלב גדילת האטה ונשימה אנדוגנית. כאשר מיקרואורגניזמים נכנסים לסביבה חדשה, ישנה תקופת הסתגלות שבמהלכה מספרם נשאר יציב יחסית.

עקומת גדילת בוצה (כלומר, עקומת גידול מיקרוביאלית)

לריכוז המיקרואורגניזמים יש ערך התחלתי, המייצג את כמות הבוצה שנוספה במהלך ההפעלה הראשונית של מיכל הטיפול הביולוגי. עם הזמן, ריכוז הבוצה עולה בהדרגה. בדרך כלל, ריכוז הבוצה במיכל טיפול ביולוגי אירובי יכול להישמר בין 3000-5000 מ"ג/ליטר. ריכוז הבוצה תלוי בריכוז ה-BOD של הנחל; ככל שריכוז ה-BOD גבוה יותר, כך ריכוז הבוצה שניתן לשמור עליו גבוה יותר.

בהפעלת מיכל טיפול ביולוגי בפועל, ריכוז הבוצה נשמר בין שלב צמיחת האטה לשלב הנשימה האנדוגנית. ניתן לראות כי ריכוז הבוצה משתנה בהתאם למצב הפעולה של מיכל הטיפול הביולוגי.

באוורור רגיל, המכונה גם אוורור זרימת תקע, המזהמים יורדים בהדרגה במהלך תהליך ההנעה, וצמיחת הבוצה נשלטת בשלב הצמיחה של האטה. יש אולי לשאול, איך זה נשלט? זה מושג באמצעות מחזור בוצה ואמצעי פינוי בוצה!

ערבוב מלא פירושו שכל חלקי מיכל הטיפול הביולוגי פועלים באותם תנאים (למשל, ריכוז מזהמים, pH, חמצן מומס וכו'). תהליכי טיפול ביולוגי המופעלים לסירוגין (כגון תהליך SBR שהוזכר קודם לכן) יכולים בדרך כלל להשיג זאת היטב, ומצב הבוצה נשלט במהלך שלב הצמיחה של האטה.

אוורור מורחב (SRT) משתמש בקצב טעינה נפחי נמוך מאוד בתכנון, וכתוצאה מכך ריכוז בוצה נמוך יחסית במיכל הטיפול הביולוגי. תהליך זה פועל בשלב הנשימה האנדוגנית של עקומת הגדילה, הדורש קצב העמסה אורגנית נמוך וזמן אוורור ארוך, בדרך כלל 20-30 ימים עבור SRT ו-24 שעות עבור HRT. תהליך זה בדרך כלל אינו משתמש במיכל שיקוע ראשוני.

עקומת ריכוז חמצן מומס

ללא תוספת חמצן מומס חיצונית, החמצן המומס במים יורד בהדרגה כפי שמוצג באיור. כמובן שיש להשלים חמצן מומס במיכל הטיפול הביולוגי כדי לשמור על ערך קבוע יחסית.

עקומת ריכוז מזהמים

BOD יכול, במידה מסוימת, לבטא את ריכוז המזהמים במים (כפי שהוזכר קודם לכן, ערכי COD משמשים בצורה הטובה ביותר בתכנון נפח מיכל). עם הזמן, ריכוז המזהמים יורד לרמה ניתנת להפרשה.

בטמפרטורה מתאימה, מספיק חמצן מומס וחומרי הזנה, והיעדר חומרים מעכבים, הגורם הקובע השולט על צמיחת בוצה פעילה הוא היחס F/M בין כמות המזון (חומר אורגני בשפכים, הידוע גם בשם מצע) לבין כמות המיקרואורגניזמים (בוצה פעילה), המושפעת גם מגורמים כמו קצב ניצול האיברים וקצב התפרקות החמצן וקצב הפירוק החמצן, תכונות ספיחה של בוצה פעילה.

שלב ההתאמה (שלב ההתאמה): נקרא גם שלב ההתאמה, זהו השלב הראשוני של גידול בוצה פעילה. מיקרואורגניזמים אינם מתרבים, אך מתחילים להתרחש שינויים איכותיים. שלב זה מתאים לחלק האופקי הראשוני של עקומת הצמיחה בתרשים ובדרך כלל הוא קצר. בשלבים המאוחרים יותר של שלב ההסתגלות, מערכת האנזים המיקרוביאלית הסתגלה בהדרגה לסביבה החדשה, התפתחות הפרט הגיעה לרמה מסוימת, תאים מתחילים להתחלק ומיקרואורגניזמים מתחילים להתרבות.

שלב הצמיחה הלוגריתמי: קצב גידול הבוצה הפעילה עולה, יחס ה-F/M גדול יחסית, המצע האורגני בשפע ופעילות הבוצה הפעילה גבוהה. מיקרואורגניזמים סופגים בו זמנית מצע אורגני בקצב הגבוה ביותר ומסנתזים תאים בקצב הגבוה ביותר, ומשיגים ריבוי. בשלב זה, לבוצה המופעלת יכולת גבוהה לסילוק חומרים אורגניים, וצמיחת הבוצה אינה מוגבלת על ידי תנאי תזונה אלא רק על ידי ריכוז חיידקים. עם זאת, הבוצה היא בעלת תכונות צניפות גרועות, קשה ליישב אותה ויעילות טיפול ירודה.

שלב הצמיחה המואצת: קצב גידול הבוצה הפעילה יורד, יחס ה-F/M ממשיך לרדת, וקצב הגידול מוגבל על ידי חומרים מזינים אורגניים. זהו שלב ההפעלה הטיפוסי של תהליך הבוצה המופעלת. בשלב זה ניתן לסלק במידה רבה חומרים אורגניים בשפכים, ולבוצה יש תכונות צפיפות ושקיעה טובות.

שלב חילוף חומרים אנדוגני: חומרים מזינים מתרוקנים במידה רבה. בהיעדר יכולת להשיג מספיק חומרים מזינים, הבוצה הפעילה מתחילה לנצל את האחסון הפנימי שלה, כלומר, היא בשלב החמצון העצמי.- בשלב זה יש לבוצה רמה גבוהה של אי-אורגניזציה ותכונות שקיעה טובות, אך צקיפות לקויה והבוצה פוחתת בהדרגה. עם זאת, מכיוון ששאריות הנשימה האנדוגנית קשות לרוב-לפירוק-דפנות התא והציטופלזמה, הבוצה הפעילה לא יכולה להיעלם לחלוטין.

גורמים רבים יכולים להשפיע על הצמיחה של חיידקים, כולל חומרי הזנה, טמפרטורה, pH, חמצן מומס וחומרים רעילים. כמובן שלסוגים שונים של מיקרואורגניזמים יש טווחי סובלנות שונים לגורמים אלה. סוגים נפוצים של מיקרואורגניזמים בבוצה פעילה כוללים חיידקים אירוביים (קטגוריה רחבה, הכוללת קטגוריות משנה רבות כגון חיידקים מחנקים), חיידקים הידרוליטיים, חיידקים מתסיסים, חיידקי מימן, חיידקי חומצה אצטית, מתנוגנים, חיידקים מפחיתי סולפט- וחיידקים פרוטוזואירובים. לכן, כל עוד גורמים אלה נשמרים בטווחים נורמליים, ניתן להשיג צמיחה מהירה של חיידקים.

חומרים מזינים
במהלך פעילויות החיים של מיקרואורגניזמים, הם צריכים לספוג באופן רציף חומרים מזינים חיוניים מגוף המים שמסביב, כולל: מקורות פחמן, מקורות חנקן, מלחים אנאורגניים וגורמי גדילה מסוימים. שפכים לטיפול חייבים להכיל כמויות מספקות של חומרים אלו.

פחמן הוא מרכיב מבני חשוב של תאים מיקרוביאליים. למיקרואורגניזמים המעורבים בטיפול בבוצה פעילה יש דרישה גבוהה יחסית למקור פחמן, בדרך כלל לא פחות מ-100 מ"ג/ליטר (מחושב כ-BOD5).

חנקן הוא מרכיב חשוב בהרכב של חלבונים וחומצות גרעין בתוך תאים מיקרוביאליים. מקורות חנקן יכולים להגיע מתרכובות חנקן אנאורגניות כגון N2, NH3 ו-NO3, כמו גם תרכובות המכילות חנקן- אורגניות כגון חלבונים וחומצות אמינו.

זרחן הוא מרכיב חיוני לסינתזה של נוקלאופרוטאין, לציטין ותרכובות זרחן אחרות, הממלא תפקיד מכריע במטבוליזם מיקרוביאלי ובטרנספורמציה של חומרים. קואנזים I, קואנזים II ואדנוזין מונופוספט (ATP) מכילים כולם זרחן. מיקרואורגניזמים משיגים בעיקר זרחן מתרכובות זרחן אנאורגניות. מקורות זרחן לא מספיקים ישפיעו על פעילות האנזים, ובכך ישפיעו על התפקודים הפיזיולוגיים של מיקרואורגניזמים.

באופן כללי, היחס בין שלושת אבות המזון העיקריים (פחמן, חנקן וזרחן) הוא BOD:N:P=100:5:1. בנוסף, גם יסודות קורט כמו גופרית, נתרן, אשלגן, סידן, מגנזיום וברזל ממלאים תפקידים חשובים בתהליך הצמיחה של מיקרואורגניזמים.

חמצן מומס

המינים המיקרוביאליים המעורבים בטיפול בשפכים מחולקים למינים אירוביים ואנאירוביים, ומכלי ההפעלה כוללים מכלים אירוביים, מיכלים אנוקסיים, מיכלי הידרוליזה ומיכלים אנאירוביים. בהתבסס על ניסיון תפעולי, יש לשמור על ריכוז החמצן המומס במיכל האירובי בין 2-4 מ"ג/ליטר. במיכלי ההידרוליזה והאנוקסיים, שהם סביבות אנאירוביות פקולטטיביות, מותר ריכוז מסוים של חמצן מומס, בדרך כלל בין 0.2-0.5 מ"ג/ליטר. הטנק האנאירובי הוא סביבה אנאירובית למהדרין; כדי להבטיח את תהליכי ההידרוליזה והתסיסה, נוכחות של חמצן מומס אסורה.

חמצן מומס חיוני לתפעול מתקני טיהור שפכים. אם החמצן המומס במיכל האירובי נמוך מדי, הצמיחה של חיידקים מחנקים וחיידקים אירוביים אחרים תיעצר, בעוד שחיידקים חוטיים יתרבו במהירות, ויובילו להתנפחות בוצה.

ערך pH: הפעילויות הפיזיולוגיות של מיקרואורגניזמים קשורות קשר הדוק ל-pH של הסביבה. מיקרואורגניזמים יכולים לבצע פעילויות פיזיולוגיות רגילות רק בתנאי pH מתאימים. טווח ה-pH האופטימלי עבור מיקרואורגניזמים המעורבים בטיפול ביולוגי בשפכים הוא בדרך כלל בין 6.5 ל-8.5. לקבוצות חיידקים שונות יש טווחי סובלנות שונים; לחיידקים מחמצנים הידרוליטיים יש טווח pH בין 5.5 ל-7.5, בעוד שלחיידקים אירוביים יש טווח pH בין 6.5 ל-8.5.

טֶמפֶּרָטוּרָה
הטמפרטורה היא קריטית לצמיחה של חיידקים. רוב המיקרואורגניזמים המעורבים בטיפול בבוצה פעילה הם תרמופיליים, עם טווח טמפרטורות אופטימלי של 10-45 מעלות. כדי להבטיח פעולה תקינה, טמפרטורת המים במיכל הטיפול הביולוגי נשמרת בדרך כלל בין 15-35 מעלות; הצמיחה של חיידקים מואטת מתחת ל-5 מעלות. יתר על כן, לחיידקים אנאירוביים יש סבילות לטמפרטורה גבוהה בהרבה מחיידקים אירוביים, ולכן רוב המיכלים האנאירוביים מצוידים במכשירי בידוד וחימום.

חומרים רעילים
"חומרים רעילים" מתייחסים לחומרים אנאורגניים ואורגניים מסוימים המעכבים את הפעילות הפיזיולוגית של מיקרואורגניזמים. אלו כוללים בעיקר יוני מתכות כבדות (כגון אבץ, נחושת, ניקל, עופרת, כרום וכו') וכמה תרכובות לא-מתכתיות (כגון פנולים, אלדהידים, ציאנידים, סולפידים וכו'). ההשפעות הרעילות של חומרים רעילים על מיקרואורגניזמים הן כמותיות; רעילות ועיכוב מתגלים רק כאשר החומר הרעיל מגיע לריכוז מסוים בסביבה. כל עוד ריכוז החומרים הרעילים השונים במי שפכים נמוך מרמה זו, התפקודים הפיזיולוגיים של המיקרואורגניזמים אינם מושפעים.

סילוק ופירוק חיידקים של מזהמים מסתמך בעיקר על שני תהליכים: ספיחה ומטבוליזם (הטמעה והתפזרות).

תהליך ספיחה: תוך תקופה קצרה לאחר שהשפכים באים במגע עם בוצה פעילה ומתערבבים בה, מזהמים אורגניים במים מציגים קצב סילוק גבוה. תופעת ההסרה- הראשונית הזו היא תוצאה של שילוב של ספיחה פיזית וביולוגית. במהלך תהליך זה, המצע האורגני באלכוהול המעורב יורד במהירות. הסיבה לכך היא שלבוצה הפעילה יש שטח פנים גדול והיא מועשרת במספר רב של מיקרואורגניזמים על פניה, המכוסה בשכבה צמיגה עשירה בפוליסכריד-. כאשר מצעים אורגניים מרחפים וקולואידים במי השפכים באים במגע עם להקות הבוצה המופעלת, הם נקרשים ונספגים במהירות, תופעה המכונה "ספיחה ראשונית".

תהליך הספיחה הראשוני ממשיך מהר מאוד, מסתיים בדרך כלל תוך 30 דקות. שיעור סילוק הספיחה של BOD של שפכים יכול להגיע ל-70%, ולמי שפכים המכילים כמות גדולה של חומר אורגני מרחף וקולואידי, BOD יכול לרדת ב-80%-90%. קצב הספיחה הראשוני תלוי בעיקר בפעילות המיקרואורגניזמים ובמידת הדיפוזיה ההידראולית והדינמיקה ההידראולית בתוך הכור. הראשון קובע את יעילות הספיחה וההצקה של מיקרואורגניזמים של הבוצה הפעילה, בעוד שהאחרון קובע את מידת המגע בין להקות הבוצה המופעלת למצע האורגני.

תהליך מטבולי: מזהמים אורגניים הנספגים על פני השטח של תאים חיידקיים בוצה פעילה עוברים חילוף חומרים. חומר אורגני של מולקולה מומסת וקטנה- חודרת ישירות לדופן התא לתוך התא תחת פעולת אנזימים מחדירים, שם הוא עובר חילוף חומרים. חומר אורגני של מולקולה גדולה- קולואידית ומרחפת, כגון עמילן וחלבון, עובר הידרוליזה תחילה למולקולות קטנות מומסות על ידי אנזימים חוץ-תאיים-הידרולאסים-לפני הכניסה לתא. ברגע שהם נכנסים לתא, מזהמים אורגניים מתחמצנים בהדרגה ומתפרקים למוצרים אנאורגניים יציבים, כגון CO2 ו-H2O, תחת קטליזה של אנזימים תוך-תאיים שונים, ומשחררים אנרגיה לסינתזה של התא. בתהליך זה, החומר האורגני הופך לחומרים אורגניים פשוטים ויציבים באמצעות תגובות ביוכימיות, תוך השגת סילוק מזהמים.