Pienienie osadu czynnego jest jednym z najbardziej uciążliwych problemów eksploatacyjnych w oczyszczalniach ścieków. Grubość warstwy piany może niekiedy przekraczać 1 m i utrudniać kontrolowanie procesu, powodować uszkodzenia systemu usuwania piany i rozprzestrzenianie się patogenów wraz z pianą przenoszoną przez wiatr [Pal i in. 2014]. W ostatnich latach stało się też głośno o pienieniu osadów w fermentorach [Subramanian i in. 2015]. Najczęściej przyczyną pienienia osadu jest nadmierny rozwój bakterii nitkowatych takich jak Microthrix parvicella czy rozgałęzionych nokardiopodobnych Actinomycetes [Eikelboom 2000].
Chociaż istnieją metody przeciwdziałąjące puchnięciu i pienieniu osadu, żadna z nich nie jest bez wad. Jednym z proponowanych rozwiązań jest stosowanie selektorów, jednak są one skutecznie tylko w przypadku niektórych typów bakterii. Najczęściej stosowane są metody chemiczne polegające na aplikowaniu soli glinu lub żelaza, czy chlorowaniu, a także fizyczne usuwanie piany z powierzchni reaktora.
O ile w przypadku M. parvicella skuteczność dozowania soli glinu została potwierdzona, o tyle nokardiopodobne Actinomycetes są mało wrażliwe na środki chemiczne. Ponadto stosowanie środków chemicznych ma swoje ograniczenia ze względu na potencjalne ryzyko uodporniania się bakterii na stosowane substancje. Dlatego też poszukuje się metod biologicznych, które mogłyby być wykorzystywane w celu ograniczania liczebności bakterii nitkowatych powodujących puchnięcie i pienienie. Jedną z takich metod jest stosowanie specyficznych bakteriofagów zdolnych do infekowania bakterii powodujących pienienie osadu [Liu i in. 2015].
Inną alternatywą dla stosowania środków chemicznych jest wykorzystywanie wrotków zdolnych do odżywiania się bakteriami nitkowatymi. Wrotki Lecane inermis okazały się uniwersalnym narzędziem, ponieważ jako pożywienie mogą wykorzystywać różne rodzaje bakterii nitkowatych, takich jak: Microthrix parvicella [Fiałkowska i Pajdak-Stós 2008], Nostocoida limicola [Pajdak-Stós i Fiałkowska 2012], Typ 021N [Kocerba-Soroka i in. 2013], Typ 0092 [Drzewicki i in. 2015], Thiotrix sp. [Kowalska i in. 2014] czy Haliscomenobacter [Kowalska i in. 2016]. Niewiele natomiast wiadomo na temat podatności rozgałęzionych form, takich jak nokardiopodobne Actinomycetes na wyjadanie przez wrotki.
Ażeby sprawdzić, czy wrotki z rodzaju Lecane ograniczają zagęszczenie bakterii powodujących puchnięcie i pienienie osadu przeprowadzono eksperymenty w skali laboratoryjnej, a następnie zastosowano wrotki w oczyszczalni, w której masowo występowały Actinomycetes i M. parvicella.
Eksperymenty w skali laboratoryjnej przeprowadzono wykorzystując osad z oczyszczalni zlokalizowanej niedaleko Krakowa, do której trafiają ścieki z jednej miejscowości (< 1000 RLM). Indeks bakterii nitkowatych w badanym osadzie wynosił 3,5 z wyraźną dominacją Actinomycetes i domieszką M. parvicella i Sphaerotilus natans. Osad bez dodanych wrotków wykorzystano jako kontrolny.
W eksperymencie testowano cztery gatunki wrotków z rodzaju Lecane, które niezależnie dodano do badanego osadu: L. inermis, L. tenuiseta, L. decipiens i L. pyriformis. Eksperyment wykonano w 8 powtórzeniach. Po tygodniu i dwóch policzono wrotki w podpróbach. Po upływie dwóch tygodni sprawdzono zagęszczenie kolonii Actinomycetes na wystandaryzowanych wybarwionych metodą Grama rozmazach. Kolonie liczono w pasie o powierzchni 1,826 mm2. Wszystkie badane gatunki wrotków z wyjątkiem L. tenuiseta istotnie zredukowały zagęszczenie rozgałęzionych kolonii (rys. 1).
W przypadku pozostałych gatunków Lecane, zagęszczenie wrotków bardzo wyraźnie rosło w czasie trwania eksperymentu (rys. 2).
Na rys. 3 pokazano przykładowe zdjęcia mikroskopowe osadu po zastosowaniu wrotków w porównaniu z kontrolą bez wrotków.
Przeprowadzono również eksperyment z zastosowaniem wrotków bezpośrednio w oczyszczalni, z której wcześniej pobrano osad do eksperymentów laboratoryjnych. Objętość komory napowietrzania to 84 m3, a osadnika wtórnego 20 m3. Oczyszczalnia była monitorowana przez okres ponad roku od grudnia do lutego. Analizy mikroskopowe wg metody Eikelbooma były wykonywane co 2 tygodnie. W tej metodzie zagęszczenie bakterii nitkowatych jest szacowane w oparciu o zdjęcia referencyjne, z którymi porównuje się obrazy mikroskopowe badanego osadu i wyrażone w formie indeksów w skali od 0 do 5, a zagęszczenie przedstawicieli pierwotniaków i bezkręgowców w skali od 0 do 3. Do analizy wykorzystano dane dotyczące zagęszczenia wrotków i bakterii powodujących pienienie i puchnięcie: M. parvicella i Actinomycetes.
Wrotki L. inermis pochodzące z masowej hodowli prowadzonej w Instytucie Nauk o Środowisku UJ zaaplikowano w dwóch seriach wg harmonogramu opisanego w tab. 1.
Zagęszczenie wrotków w oczyszczalni i ich wpływ na M. parvicella i Actinomycetes pokazano na wykresie (rys. 4). Czarne strzałki wskazują datę początkową każdej z serii zaszczepiania wrotków. Po miesiącu od pierwszego zaszczepienia indeks wrotków osiągnął wartość 1,5 w skali od 0 do 3. Wtedy też zagęszczenie Actinomycetes i M. parvicella wyraźnie spadło. Po kolejnych dwóch miesiącach nie zaobserwowano wrotków w podpróbach. Zagęszczenie wrotków wyraźnie wzrosło po drugiej serii zaszczepiania. W okresie kiedy zagęszczenie wrotków było najwyższe, indeksy zagęszczenia zarówno M. parvicella jak i Actinomycetes były bardzo niskie. Ponownie zagęszczenie wrotków gwałtownie spadło w październiku. Przerywana strzałka wskazuje datę analizy, kiedy zaobserwowano w podpróbach grzyby drapieżne Zoophagus sp. zdolne do odżywiania się wrotkami. Kiedy zagęszczenie wrotków spadło do 0, ponownie licznie pojawiły się w osadzie Actinomycetes.
Wyniki rocznego monitoringu oczyszczalni, do której zaszczepiono wrotki, wskazują, że sztuczne podwyższenie zagęszczenia wrotków poprzez wprowadzenie Lecane z masowej hodowli jest możliwe i że prowadzi do skutecznego ograniczenia rozwoju bakterii nitkowatych powodujących pienienie, takich jak: M. parvicella i Actinomycetes.
Opisane badania pokazały też wyraźnie czynniki hamujące rozwój wrotków w oczyszczalni. Są nimi: zbyt niska temperatura i obecność grzybów drapieżnych. Pomimo tego, że po pierwszej serii szczepienia wrotków ich zagęszczenie wzrosło, nie utrzymały się one w systemie prawdopodobnie z powodu zbyt niskiej temperatury, która w czasie zaszczepiania wynosiła 8÷9°C. Z kolei zaszczepienie wrotków w drugiej serii, gdy temperatura wynosiła ok. 15°C zakończyło się pełnym sukcesem, doprowadzając do szybkiego namnożenia wrotków w oczyszczalni i niemal całkowitej eliminacji Actinomycetes i M. parvicella w okresie od końca maja do połowy sierpnia. Wtedy to pojawił się kolejny czynnik limitujący w postaci grzybów drapieżnych zaopatrzonych w specjalne pułapki, do których przyklejają się wrotki umożliwiając grzybni wrośnięcie do ich wnętrza. Grzyby te są niezwykle żarłoczne, szybko się rozrastają i łatwo eliminują wrotki ze środowiska [Pajdak-Stós i in. 2016]. Jednak, jak widać na wykresie (rys. 4), wrotki ponownie pojawiły się w podpróbach w grudniu i w lutym, co korespondowało z obniżeniem zagęszczenia Actinomycetes. Prawdopodobnie Lecane przetrwały w zagęszczeniu na tyle małym, że nie były widoczne w podpróbach lub w postaci jaj. Obniżona temperatura i bardzo niskie zagęszczenie wrotków w osadzie przyczyniły się do obumierania grzyba drapieżnego. Gdy zagrożenie minęło, wrotki Lecane zaczęły się ponownie mnożyć. Takie fluktuacje liczebności wrotków i grzybów drapieżnych dają szansę na współistnienie tych organizmów w dynamicznej równowadze.
W powyższych badaniach po raz pierwszy wykazano, że możliwe jest ograniczenie liczebności Actinomycetes przy pomocy wrotków L. inermis w pełnoskalowej oczyszczalni, jednak by efekt ten był trwały, konieczne jest doszczepianie wrotków, jeżeli ich zagęszczenie spada.
Przy zaszczepianiu wrotków należy wziąć pod uwagę takie czynniki limitujące, jak temperatura i obecność grzybów drapieżnych. Jeżeli w danej oczyszczalni nie występują grzyby drapieżne, zaszczepienie wrotków, gdy temperatura przekracza 15°C daje szansę na utrzymanie ich w systemie na tyle długo, by nie dopuścić do pienienia spowodowanego przez nadmierny rozwój Actinomycetes.
Literatura
- Eikelboom DH (2000), Process control of activated sludge plants by microscopic investigation. pp. 85-102 IWA publishing, London.
- Fiałkowska E., Pajdak-Stós A. (2008). The role of Lecane rotifers in activated sludge bulking control. Water Res 42(10):2483-2490
- Kocerba-Soroka W., Fiałkowska E., Pajdak-Stós A., Klimek B., Kowalska E., Drzewicki A., Salvado H., Fyda J. (2013), The use of rotifers for limiting filamentous bacteria Type 021N, a bacteria causing activated sludge bulking. Water Sci Technol 67(7):1557-1563.
- Kowalska E., Paturej E., Zielińska M. (2014), Use of Lecane rotifers for limiting Thiothrix filamentous bacteria in bulking activated sludge in a dairy wastewater treatment plant. Arch Biol. Sci 66(4): 1371-1378.
- Kowalska E., Paturej E., Zielińska M. (2016), Use of Lecane inermis for control of sludge bulking caused by the Haliscomenobacter genus. Desalin Wat Treat 57 (26):1-8.
- Liu M., Gill J.J., Young R., Summer E. J. (2015), Bacteriophages of wastewater foaming-associated filamentous Gordonia reduce host levels in raw activated sludge.Scientific reports 5.
- Pajdak-Stós A., Fiałkowska E. (2012), The influence of temperature on the effectiveness of filamentous bacteria removal from activated sludge by rotifers. Water Env Res 84(8):619-625.
- Pajdak-Stós A., Ważny R., Fiałkowska E. (2016), Can a predatory fungus (Zoophagus sp.) endanger the rotifer populations in activated sludge? Fungal Ecol 23:75-78.
- Pal P., Khairnar K., Paunikar W.N. (2014), Causes and remedies for filamentous foaming in activated sludge treatment plant. Global Nest J 16(4):762-772.
- Subramanian B., Pagilla K.R. (2015), Mechanisms of foam formation in anaerobic digesters. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 126, 621-630.
Badania były finansowane przez NCBiR, grant GEKON1/O3/214361/8/2014 I DS/WBiNoS/INoS/757 UJ.
Artykuł powstał w oparciu o publikację: Pajdak-Stós A., Kocerba-Soroka W., Fyda J., Sobczyk M., Fiałkowska E., 2017: Foam-forming bacteria in activated sludge effectively reduced by rotifers in laboratory-and real-scale wastewater treatment plant experiments. Environmental Science and Pollution Research, 24(14), 13004-13011.
Agnieszka Pajdak-Stós, Edyta Fiałkowska
Uniwersytet Jagielloński, Instytut Nauk o Środowisku
Źródło: Forum Eksploatatora 1/2019
