Βιοκοινωνίες πρωτόζωων σε αντιδραστήρες ενεργού ιλύος διαλείπουσας λειτουργίας παρουσία τοξικών ουσιών

Abstract

The present study investigates the potential impacts on activated sludge microfauna from the presence of biofilm carriers and toxic substances influent in relation to the treatment efficiencies. The study was performed in laboratory scale Sequential Batch Reactors, one supplied with biofilm carriers (AnoxkaldnessTM, model K1). The experiments were conducted into four experimental periods. During the first period (90 days) the reactors were supplied with synthetic wastewater, in the second period (90 days) the reactors were supplied with municipal wastewater, while in the third (325 days) and in the forth (440 days) period the reactors were supplied with municipal wastewater spiked with phenol and Cr(VI) respectively. Samples were collected from the effluent of each reactor and from the activated sludge during aeration. In the effluent samples the following parameters were monitored: BOD5, COD, nitrogen – ammonia, nitrates, phosphates, suspended solids and phenol and Cr(VI) were applicable. In the activated sludge samples the following parameters were monitored: MLSS, activated sludge microfauna (identification and enumeration), while in the 3rd and 4th period EPS were quantified. The results were processed statistically by the STATISTICA® software, in order to determine the factors that affect the microfauna composition, and to assess the effect from that composition on effluent’s quality. The composition of the activated sludge microfauna observed to be different in the two reactors since in the SBR the formation of flocs were favored as a contrast to the SBBR where biofilm formation was favored. A determining factor for the composition of microfauna was influent composition. During the period with the addition of phenol and Cr(VI) in the influent, increase of the taxa was observed however there was an oscillation of the taxa present under the various influent concentrations. Metazoans were present only in the SBR under the influence of municipal wastewater and during the 4th period ( Cr(VI) addition). Sessile protistans were present in high percentages throughout the experimental period. Generally the presence of sessile protistans is considered as evidence of good activated sludge quality, when these species do not prey on other protistans. However in the present study inversely proportional relations were observed between certain sessile - protistan predator – species, such as Podophrya to the effluent quality. Τhe 3rd and 4th period the sludge was classified in lower quality classes than those indicated by the effluent parameters. The extracellular polymeric substances exhibited variations both to their quality as well as to their composition between the 3rd and the 4th period, fact that indicates that EPS are composed for different purposes under different influent and operational conditions. The two basic purposes identified in the study was cell protection and food storage. However in order for the EPS to be composed it is necessary for the cell to obtain energy, this energy is derived from ATP synthesis fact that enhances the assimilation of phosphorus. CCA exhibited proportional relationships between sessile species and EPS production. Additionally EPS attribute to the formation of either activated sludge flocs or biofilms, which in turn determine settleability of the activated sludge.

Η παρούσα διατριβή αφορά τη διερεύνηση των σχέσεων της δομής της βιοκοινωνίας σε εργαστηριακές μονάδες ενεργού ιλύος, με αιωρούμενη και προσκολλημένη βιομάζα, σε σχέση με τις μεταβλητές απόδοσής τους και την παρουσία τοξικών ουσιών. Οι πειραματικές μετρήσεις διεξήχθησαν σε δυο εργαστηριακούς αντιδραστήρες διαλείπουσας λειτουργίας (SBR), ένας αντιδραστήρας (SBBR) καλύφθηκε με πλαστικό πληρωτικό υλικό (AnoxkaldnessTM, model K1). Εκτελέστηκαν 4 κύκλοι πειραμάτων σε κάθε αντιδραστήρα. Στον πρώτο κύκλο χρησιμοποιήθηκε συνθετικό λύμα για χρόνο λειτουργίας 90 ημερών στο δεύτερο κύκλο χρησιμοποιήθηκε αστικό λύμα από τη μονάδα επεξεργασίας λυμάτων Χορτιάτη, για χρόνο λειτουργίας 90 ημερών. Στο τρίτο κύκλο χρησιμοποιήθηκε αστικό λύμα με προσθήκη φαινόλης για χρόνο λειτουργίας 325 ημερών και στο τέταρτο κύκλο χρησιμοποιήθηκε αστικό λύμα με προσθήκη Cr(VI) για χρόνο λειτουργίας 440 ημερών. Σε κάθε δειγματοληψία επεξεργασμένης εκροής, γινόταν προσδιορισμός των εξής παραμέτρων: BOD5, COD, αμμωνιακό άζωτο, φωσφορικά, αιωρούμενα στερεά, νιτρικά, φαινόλη και χρώμιο (για τις αντίστοιχες περιόδους λειτουργίας). Στα δείγματα της ενεργού ιλύος οι αναλύσεις περιελάμβαναν τις εξής παραμέτρους: αιωρούμενα στερεά της ενεργού ιλύος, καταμέτρηση και αναγνώριση της βιοκοινωνίας με χρήση μικροσκοπίας, ενώ για τη τρίτη και τέταρτη περίοδο λειτουργίας πραγματοποιήθηκε ποσοτικοποίηση και των εξωκυτταρικών πολυμερών στα δείγματα της ιλύος. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τα πειραματικά δεδομένα επεξεργάστηκαν με το στατιστικό πρόγραμμα by PC-ORD 6.0® (Mjn Software Design), προκειμένου να εξεταστούν οι παράμετροι που επηρεάζουν τη διαμόρφωση της βιοκοινωνίας αλλά και πως αυτή συμβάλλει στα ποιοτικά χαρακτηριστικά της επεξεργασμένης εκροής. Επιπλέον, έγινε προσπάθεια προσδιορισμού οργανισμού – δείκτη για κάθε περίοδο λειτουργίας και προσδιορίστηκαν τα τροφικά δίκτυα για κάθε περίοδο. Η διαμόρφωση της βιοκοινωνίας παρουσίασε διαφοροποιήσεις σε ότι αφορά στην παρουσία ή μη πληρωτικού υλικού καθώς στην περίπτωση της αιωρούμενης βιομάζας δημιουργούνται βιοκροκίδες ενώ στην περίπτωση της προσκολλημένης βιομάζας δημιουργούνται βιουμένια. Ένας επιπλέον παράγοντας που συμβάλει στη διαμόρφωση της βιοκοινωνίας είναι η σύσταση του λύματος. Για την 3η και 4η περίοδο λειτουργίας παρατηρήθηκαν οργανισμοί δείκτες για σχεδόν κάθε διαφορετική συγκέντρωση των ουσιών στην είσοδο. Για την 3η και 4η περίοδο λειτουργίας ο Βιοτικός Δείκτης Ιλύος κατέταξε σε χαμηλές ποιοτικές τάξεις τη βιοκοινωνία της ενεργού ιλύος, γεγονός το οποίο αντιτίθεται στα ποιοτικά χαρακτηριστικά της εξόδου. Τα εξωκυτταρικά πολυμερή παρουσίασαν διαφορές τόσο στην αναλογία υδατανθράκων - πρωτεϊνών, όσο και τη συγκέντρωση τους μεταξύ της 3ης και 4η περιόδου λειτουργίας, γεγονός το οποίο σημαίνει ότι οι οργανισμοί παράγουν για διαφορετικό λόγο τα εξωκυτταρικά πολυμερή, άλλοτε για προστασία από την είσοδο των τοξικών ουσιών και άλλοτε ως αποθήκες τροφής. Από την ανάλυση των κανονικών συσχετίσεων (CCA) προέκυψε ότι κάποιοι οργανισμοί, κυρίως τα σταθερά πρωτόζωα, συσχετίζονται θετικά με την παρουσία των εξωκυτταρικών πολυμερών. Επιπλέον τα εξωκυτταρικά πολυμερή συμβάλουν σημαντικά στη διαμόρφωση των βιοκροκίδων και των βιουμενίων με αποτέλεσμα να καθορίζουν την ικανότητα καθίζησης της ιλύος, ωστόσο οι μελέτες είναι αντικρουόμενες σχετικά με το αν η υψηλή συγκέντρωση υδατανθράκων ή πρωτεϊνών είναι αυτή που ενισχύει τη σταθερότητα των βιοκροκίδων και των βιουμενίων. Στην παρούσα εργασία προέκυψε ότι η υψηλότερη συγκέντρωση των πρωτεϊνών ενισχύει περισσότερο τη συνοχή και σταθερότητα των βιοκροκίδων και βιουμενίων. Επιπλέον σημαντικός ήταν και ο ρόλος της προσροφητικής ικανότητας των εξωκυτταρικών πολυμερών στην απομάκρυνση κυρίως του Cr(VI).