Analiza możliwości wykorzystania pierwotniaków zasiedlających osad czynny do oceny wydajności procesu oczyszczania ścieków

Bibliogr. s. 117-132

Pierwotniaki (Protozoa) są nieodłącznym elementem sieci troficznej półnaturalnego ekosystemu wodnego jakim jest osad czynny. Rola pierwotniaków w konwencjonalnych oczyszczalniach ścieków był przedmiotem wielu badań na przestrzeni dziesiątków lat i jest dość dobrze poznana. Obecnie wśród oczyszczalni ścieków dominują obiekty o podwyższonej skuteczności usuwania biogenów, przystosowane do wysokiej/wydajnej redukcji stężenia związków azotu i fosforu. Osady pracujące w oczyszczalniach zaprojektowanych do usuwania biogenów różnią się od osadów z konwencjonalnych oczyszczalni składem gatunkowym bakterii jak i pierwotniaków. Fakt ten sugeruje, że wyniki z wcześniejszych badań nie powinny być automatycznie przenoszone na zespoły mikroorganizmów zasiedlające osady w oczyszczalniach nowego typu. W niniejszej rozprawie badano, ekologiczną rolę pierwotniaków w osadzie czynnym z podwyższonym usuwaniem biogenów. Sprawdzono również na ile pierwotniaki mogą zostać wykorzystane jako bioindykatory ˗ wskaźniki biologiczne w ocenie efektywności procesu oczyszczania ścieków z zastosowaniem osadu czynnego z podwyższonym usuwaniem biogenów. W tym celu przeprowadzono trzy eksperymenty w skali laboratoryjnej oraz roczny monitoring czterech komunalnych oczyszczalni ścieków. W badaniach laboratoryjnych przeprowadzonych w bioreaktorach wykazano, że zwiększone zagęszczenie orzęsków pełzających z gatunku Aspidisca cicada nie wpływa na liczebność oraz efektywność działania/pracy bakterii pierwszego etapu nitryfikacji, a co za tym idzie na efektywność redukowania stężenia amoniaku w ściekach. Wpływ pierwotniaków na formowanie osadu czynnego oraz na stopień mineralizacji związków azotu i fosforu w fazie „rozruchu”, nie był jednoznaczny, a wyniki zależały od układu eksperymentalnego i jego skali. W niewielkiej skali i w prostym układzie eksperymentalnym zespół bakterii w obecności pierwotniaków wydajniej mineralizował związki węgla, azotu i fosforu. W bioreaktorach symulujących proces SBR nie wykazano istotnych różnic pomiędzy różnymi zespołami bakterii, pierwotniaków i wrotków w mineralizacji związków węgla, azotu i fosforu. Zaobserwowano różnice w średniej wielkości kłaczków osadu pomiędzy różnymi zespołami bakterii, pierwotniaków i wrotków. Najmniejsze powierzchniowo kłaczki znajdowały się w zespołach bakterii w obecności zespołu składającego się z wiciowców, ameb nagich, orzęsków i wrotków. Fakt ten można wytłumaczyć zwiększoną presją konsumentów głównie wrotków. W eksperymencie symulującym dwudziestoczterogodzinny deficyt tlenu w bioreaktorach, zaobserwowano niższy stopień redukcji związków azotu i fosforu w bioreaktorach poddanych deficytowi niż w bioreaktorach kontrolnych. Nie odnotowano natomiast wyraźnych zmian w strukturze zbiorowiska bakterii nitryfikacyjnych, akumulujących polifosforany, pierwotniaków i metazoa pomiędzy grupami zabiegowymi. W warunkach laboratoryjnych nie udało się wskazać w zbiorowisku pierwotniaków i metazoa gatunków wskaźnikowych dla deficytu tlenowego. W trakcie badań w bioreaktorach zaobserwowano dużą zmienność w zagęszczeniach i składzie gatunkowym mikroorganizmów wewnątrz grup eksperymentalnych. Wysoka zmienność wewnątrz grup eksperymentalnych wraz z małą liczbą powtórzeń prawdopodobnie uniemożliwiła wykrycie istotnych różnic pomiędzy zabiegami. Roczny monitoring zespołu pierwotniaków i metazoa w czterech oczyszczalniach ścieków wykazał, że zespół mikroorganizmów osadu czynnego zależy od indywidualnych cech danego bioreaktora oraz pory roku. Z badanych parametrów procesowych, temperatura najlepiej tłumaczyła zmienność wśród zespołów pierwotniaków i metazoa w osadach czynnych. Na podstawie zebranych danych dotyczących zespołu mikroorganizmów, parametrów procesowych oraz stopnia redukcji zanieczyszczeń nie udało się jednoznacznie wskazać gatunków przydatnych do oceny jakości pracy oczyszczalni z podwyższonym usuwaniem biogenów.

Protozoa are inherent elements of the food web of the semi-natural aquatic ecosystem, which is the active sludge. Over decades the role of protozoa in conventional wastewater treatment plants was well known and the subject of many studies. Nowadays, among the wastewater treatment plants (WWTPs) dominate facilities with biological nutrient removal (BNR). These WWTPs are adapted to efficient reduction of nitrogen and phosphorus compounds concentration. The conventional WWTPs differed in biological characteristics of activated sludge in comparison to activated sludge in new technologies such as advanced treatments for nutrient removal. This fact suggests that the results from previous studies should not be automatically transferred to microbial communities that purify sewage in a new type of treatment. In this PhD thesis, the ecological role of protozoa in WWTP with BNR was investigated. It was also checked whether protozoa can be used as bio indicators in assessing the effectiveness of the BNR process. For this purpose, three experiments were carried out on a laboratory scale and annual monitoring of four full-scale treatment plants. In laboratory experiments conducted in bioreactors, the increased density of crawling ciliates species Aspidisca cicada did not affect the number and efficiency of ammonia oxidizing bacteria (AOB), and in consequence efficiency of reduction rate of ammonia in sewage. The influence of protozoa on the formation of activated sludge and on the degree of mineralization of nitrogen and phosphorus compounds in the "start-up" phase was not unambiguous, and the results depended on the experimental setup and scale. On a small scale and in a simple experimental setup, the bacterial community with presence of protozoa efficiently mineralized the compounds of carbon, nitrogen and phosphorus. In bioreactors simulating the sequencing batch reactor (SBR) process, differences in the mineralization of carbon, nitrogen and phosphorus compounds were not found between experimental groups of bacteria, protozoa and rotifers. Differences were observed in the mean sludge flocs size between different community of bacteria, protozoa and rotifers. The smallest flocs were found in bioreactors with the presence of microbial community consisted of flagellates, amoebas, ciliates and rotifers. This fact can be explained by the increased consumers pressure, mainly rotifers. In the experiment simulating the twenty-four-hour oxygen shortage in bioreactors, a lower rate of reduction of nitrogen and phosphorus compounds was observed in bioreactors treated oxygen shortage. On the other hand, no significant changes were noticed in the structure of the nitrifying bacteria, polyphosphate accumulating organisms, protozoa and metazoa community between experimental groups. In laboratory conditions, none of the protozoa and metazoa species could be treated as bio indicator for oxygen shortage condition. During the research in bioreactors a high variability in the densities and species community composition of microorganisms was observed within experimental groups. High variability within experimental groups, along with a small number of repetitions, probably limited the detection of significant differences between treatments. The annual monitoring of protozoa and metazoa community in four full scale wastewater treatment plants showed that the microorganisms community composition in activated sludge depends on the individual characteristics of a given bioreactor and the year seasons. From the studied process parameters, the temperature best explained the variability among protozoan and metazoa community. Based on the collected data on the microorganism group, process parameters and pollution reduction rate, it was not possible to clearly identify potential species useful for assessing the quality of treatment plants with biological nutrient removal.