Mikroorganismy a biologický stupeň redukce organického znečištění

05.03.2026

Čištění odpadních vod je proces odstraňování znečišťujících látek z odpadních vod. Stručně řečeno, čištění odpadních vod nebo domácího odpadu, je proces odstraňování znečišťujících látek z odpadních vod, a to z odtoku (odpadních vod) az domácího odpadu. Aby se odstranily fyzikální, chemické a biologické nečistoty, používají se fyzikální, chemické a biologické procesy. Jejich cílem je vyrábět upravenou odtokovou vodu a pevný odpad nebo kal vhodný k opětovnému použití, případně na vpuštění zpět do přírody.

V odpadních vodách se obvykle nachází velké množství patogenů, suspendovaných látek, bílkovin, minerálních solí a chemických látek. Tento materiál je často neúmyslně kontaminován mnoha toxickými organickými a anorganickými sloučeninami. Největší problémy v čistírnách odpadních vod způsobuje vznikající kal. Hnilobný zápach je zřejmě hlavním důvodem, proč se tímto odpadem zabýváme. V některých čistírnách se využívají kyslíkové injekce, které pomáhají redukovat sirovodík, avšak ani tyto injekce nedokáží zcela eliminovat nepříjemný hnilobný zápach.

V čistírnách odpadních vod je pevný, organický, dusíkatý, odpadový materiál - kal, změněn na amoniak prostřednictvím procesu zvaného mineralizace, která způsobuje hnilobný zápach. Tento proces je jednoduchý, hmota se z organické změní na anorganickou, a tak se "zmineralizuje". V odpadních vodách se nachází několik hlavních složek, které tvoří odpadový materiál (kal), jsou to výkaly, rozkládající se rostliny a živočichy a nadbytečné potraviny. Pokud se v tomto systému nenachází žádný zdroj organického dusíku, heterotrofní bakterie využívají amoniak a rozkládají se na méně škodlivé sloučeniny, které nejsou hnilobné.

Biologická spotřeba kyslíku je procedura, která slouží k určení času, za který biologický organismus spotřebuje kyslík ve vodě. Chemická spotřeba kyslíku vyjadřuje množství organických látek ve vodě. Od obou hodnot závisí kvalita vody, a proto se tato metoda využívá iv čistírnách vod. Hlavním účelem čištění odpadních vod je odstranit suspendované a organické látky naměřené chemickou spotřebou kyslíku a biochemickou spotřebou kyslíku. Koliformní bakterie se nacházejí v trávicím traktu lidí a živočichů. Pokud koliformní bakterie nacházejí ve vodovodní vodě, znamená to, že, že systém čištění vody nefunguje, nebo může být vadné potrubí.

Probiotika v čištění odpadních vod

Probiotický znamená v překladu "obsahující živé mikroorganismy", které pokud jsou dávkovány v přiměřeném množství, pozitivně působí na zdraví hostitele. Představa probiotik je dále rozšířena, na zlepšení zdraví a výkonnosti se vyžaduje vytvoření uceleného systému vytvořeného z užitečných živých mikrobiálních kultur. Mnoho probiotických kmenů se bezpečně používá již dlouhou dobu. I v čistírnách odpadních vod se probiotika používají již několik let. Probiotika v odpadních vodách redukují nepříjemný zápach , redukují kal a snižují úroveň škodlivých organických sloučenin. Probiotika se v průmyslu odpadních vod používají již mnoho let.

Čtěte také: Odstraňování bakterií a jiných mikroorganismů ze studny

"Probiotický" znamená obsahující živé mikroorganismy. Pokud jsou probiotika dávkovány v přiměřeném množství, pozitivně působí na zdraví hostitele. Bakterie mléčného kvašení produkují kyselinu mléčnou jako hlavní metabolický konečný produkt fermentace sacharidů. Bakterie mléčného kvašení se také vyznačují zvýšenou odolností vůči nižšímu pH. To umožňuje, aby bakterie mléčného kvašení konkurovaly jiným bakteriím v přirozeném kvašení, protože mohou odolávat zvýšené kyselosti.

Prostřednictvím metabolismu bakterií mléčného kvašení se vytváří CO 2 (oxid uhličitý). To využívají další druhy společenství jako zdroj energie pro vlastní metabolické systémy, např. fototrofné bakterie. Kvasinky a fototrofné bakterie jsou známé jako heterotrofní bakterie, což znamená, že využívají organické substráty, aby získali uhlík pro svůj růst a vývoj. Heterotrofní bakterie se mohou rozmnožovat od 15 min. do jedné hodiny. Heterotrofní bakterie jako Bacillus jsou také velmi odolné díky jejich tepluvzdorným vlastnostem a sport-tvorným schopnostem, které pomáhají zvyšovat celkovou trvanlivost produktu.

Fototrofné bakterie jsou schopny ve svém vegetačním cyklu využívat organické i anorganické látky, jako je např. uhlík. Kvasinky mají schopnost absorbovat glukózu jako substrát a produkují kyselinu pyrohroznovou prostřednictvím metabolismu sacharidů. Kyselina pyrohroznová může být použita jako substrát mikro-aerobních bakterií mléčného kvašení. Pokud se tedy bakterie mléčného kvašení pomocí metabolitu kvasinek množí, vytvářejí kyselinu mléčnou, která se tak stane podkladem fotosyntetických bakterií a dovolí jim rozmnožovat se. Následně kvasinky využijí sacharidy jako substrát vytvořen těmito fotosyntetických bakteriemi a mohou se opakovaně množit.

Bacillus), Rhodopseudomonas a další, dokázali po 4 měsících používání snížit celkové množství koliformních bakterií v čistírnách odpadních vod o 80%. Metabolity bakterií mléčného kvašení v některých studiích prokázaly antibakteriální schopnosti . V závislosti na prostředí, výživy a typu druhů, mohou produkovat kyselinu mléčnou, kyselinu octovou, ethanol, diacetyl, CO 2 (kyselina uhličitá), H 2 O 2 , reuterín, deriváty kyseliny mléčné (hydroxylová kyselina mléčná), a malé peptidy (např . jako bacteriocíny). Kromě toho se do 24 hodin zredukoval i nepříjemný zápach. To způsobily mikroby, které mají schopnost rozkládat různé organické sloučeniny.

Mikroby dokázali fermentovat organické látky, což vedlo k tvorbě jednodušších organických sloučenin, jako jsou aminokyseliny, alkoholy, cukry a organické kyseliny, které jsou prospěšné a nejsou takové škodlivé pro okolní prostředí. Mohou oxidovat NH 3 a používat sluneční záření jako zdroj energie a CO 2 jako zdroj uhlíku. Jak již bylo zmíněno, tím, že se v těchto probiotikách nachází více druhů bakterií, jsou schopny rozkládat najednou hned několik druhů organických sloučenin a nejen jeden kmen mikroorganismů. Pokud se hodnoty BSK 5 , CHSK, a rozpustné látky zvýší, způsobuje to pokles kyslíku, což vede k nepříjemnému zápachu. Když je jejich hodnota příliš vysoká, organické sloučeniny se nedokáží rozložit svépomocí. aminokyseliny, jak jsme již uvedli výše. Většina probiotik obsahuje jednolůžkové kmeny ve formě prášku a jsou velmi drahé.

Čtěte také: Rozklad kompostu mikroorganismy

Technologie biologické redukce organického znečištění

Biologická oxidace především biologicky rozložitelných organických látek a redukovaných forem dusíku (Namon) prostřednictvím směsné kultury mikroorganismů (bakterie, houby, prvoci atd.) přítomných v suspenzí kultuře tvořící tzv. vločky - aktivovaný kal. Oxidace Namon probíhá v procesu nitrifikace, tj. biologická oxidace na dusičnany s dusitany jako meziproduktem. V prostředí aktivace se oxidují i další redukované polutanty. Např. sulfidy se oxidují na sírany.

Proces probíhá za přístupu vzduchu, typické koncentrace rozpuštěného kyslíku se pohybují mezi 0,5 a 2 mg/l. Vyšší koncentrace kyslíku (do 2 mg/l) je nutná, pokud je požadována účinná oxidace Namon. Pokud je hlavním cílem odstranit N, je proces primárně řízen na základě požadované účinnosti odstranění N. Odstranění N-NO3- probíhá v procesu denitrifikace, tj. heterotrofní redukce dusičnanů (a dusitanů) v anoxickém prostředí (tj. bez přístupu vzduchu). Protože je nutná současná oxidace organických látek na CO2 (heterotrofní proces), předřazuje se denitrifikace před nitrifikaci (D-N systémy), nebo se dávkuje organický substrát do denitrifikační zóny (postdenitrifikace).

U D-N systémů je nutná recirkulace aktivační směsi s dusičnany, které vznikají v následné aerobní zóně (interní recykl). Částečnou recyklaci dusičnanů zajišťuje i proud vratného kalu. U postdenitrifikace se organický substrát dodává rozdělením přívodu vstupní vody mezi jednotlivé zóny nebo se dodává externí substrát (methanol, ethanol ad.).

Biologické odstraňování fosforu se zajišťuje předřazením anaerobní zóny (typicky menší mechanicky míchaná nádrž), kde se nevyskytuje rozpuštěný kyslík ani oxidované formy dusíku. Fosfor je nejprve masivně uvolňován v anaerobní zóně při procesu akumulace organické hmoty, následně zpětně akumulován do biomasy kalu v aerobní zóně. Akumulovaný fosfor je ze systému odtahován spolu s přebytečným kalem. Proces vyžaduje dostatečnou koncentraci organických látek v anaerobní (An) zóně. U vod s nízkým poměrem BSK/P je třeba zajistit, aby se v An zóně nevyskytovaly dusičnany.

Proces vždy vyžaduje separační stupeň pro zajištění retence aktivovaného kalu. Nejčastěji směšovací reaktory míchané aerací (nitrifikace) nebo mechanickými míchadly (denitrifikace, anaerobní zóna), ale může být použit i postupný tok realizovaný sérií směšovacích reaktorů. Lze realizovat i v režimu SBR. Hlavní systémy uspořádání jsou:

Čtěte také: Výzkum v environmentální výchově

An-Ox bez interního recyklu - Systémy, kde není vyžadováno odstranění N.
An-D-N systém pro vody s vysokým poměrem BSK/P. Interní recykl se vrací mezi An a D, vratný kal je veden před An.
Modifikovaný systém Bardenpho (An-D-N-D)
An-D-N systém pro vody s nízkým poměrem BSK/P.

Typické koncentrace cílového znečištění:

CHSKCr: 100 - 1500 mg/l
BSK5: do 1000 mg/l
Namon: do 100 mg/l, možné i v g/l
Pcelk: jednotky až desítky mg/l

Organické látky i Namon se mohou vyskytovat i v podstatně vyšších koncentracích, pokud čištění probíhá v ideálně míchaném reaktoru. Limitem pak je především poměr ChSK:RAS, popř. Namon:RAS. Aerobní proces je limitován množstvím kyslíku, které je možno dodat do aktivační směsi.

Obecně rychlost biologických procesů se snižuje s teplotou. Teplota pod 12 °C je považována za nedostatečnou pro nitrifikaci, oxidace organických látek probíhá běžně do 5 °C. Teplota nad 25 °C je problematická vzhledem k nízké rozpustnosti kyslíku ve vodě. Důležitý je dostatek dobře rozložitelného substrátu pro denitrifikaci, obecně se vyžaduje alespoň 4 g BSK5/g N (teoretický poměr je 2,86 g BSK5/g N-NO3-). Pro růst bakterií aktivovaného kalu je vyžadováno 0,09 - 0,12 g N/g NLzž a 0,01 - 0,03 g P/g NLzž. V aktivaci se dá očekávat v rámci inkorporace do biomasy odstranění cca 0,07 - 0,13 g N/g ChSK a 0,10 - 0,15 g P/g ChSK.

Dosažitelné koncentrace cílového znečištění:

CHSKCr: v desítkách mg/l (u velmi nízko zatížených systémů i jednotky mg/l)
BSK5: v jednotkách mg/l
Namon: v jednotkách mg/l
Ncelk: 5 - 10 mg/l
NL105: 5 mg/l
<0,5 mg/l Pcelk.

Dosažitelná účinnost odstranění N-NO3- (E) je u D-N systémů dána průtokem interního recyklu, tj. recirkulačním poměrem (R): E = R/(R + 1).

Investiční náklady se odvíjejí především od velikosti nádrží a konstrukčního materiálu (většinou beton). Vzhledem k limitaci procesu dodávkou vzduchu jde o relativně extenzivní technologie. Prostorová náročnost je dána především možnostmi separace aktivovaného kalu z odtoku. Jednak většinou nelze dosáhnout vyšších koncentrací biomasy než cca 5 g/l, jednak je třeba stavět prostorově velmi náročné dosazovací nádrže s hydraulickým zatížením typicky 8 - 30 m3/m2/d. Hydraulická doba zdržení se pohybuje v jednotkách hodin (do cca 12 h).

Obsluhu může vykonávat pracovník schopný samostatné práce. Zaškolení dodavatelem či odborníkem je obvykle dostatečné. Časová náročnost závisí na velikosti zařízení, ale obvykle je denní, cca 4 hod denně. Běžná práce obsluhy spočívá v kontrole provozu, měření koncentrace kalu sedimentační zkouškou (30 minut) kontrola chodu zařízení a strojů, odkalování systému zahušťování kalu, údržba měřicích zařízení (kyslíková sonda), udržování čistoty provozu, odběr vzorků a případně obsluha strojního odvodnění.

Dále je potřebný pravidelný i mimořádný servis strojních zařízení, prováděný servisním technikem vlastním, nebo externím. Aktivační ČOV vyžaduje dohled odborníka (technologa), který je schopen řešit případné poruchy biologického procesu. Tuto činnost lze sjednat externě. Hlavní externě dodávanou chemikálií je kyslík, většinou dodávaný ve vzduchu dmychadly. Je možné použít i čistý kyslík. Ekonomicky zásadní může být dodávání externího organického substrátu pro denitrifikaci (pokud je nutný). Teoreticky minimální poměr dobře rozložitelné ChSK ku N-NO3- potřebný pro úplnou denitrifikaci je 2,86 kg/kg. V praxi je však nutné zjistit poměr alespoň 4,5 kg/kg.

Proces je relativně dobře řiditelný, nejčastěji na základě měření koncentrace kyslíku (DO sonda), Namon a N-NO3-. Typicky se reguluje koncentrace DO na základě vstupní nebo výstupní hodnoty Namon nebo výstupní hodnoty N-NO3-. Nejčastěji se používá PID regulace, je však možné použít matematický model. Pokud je třeba dosahovat velmi nízkých koncentrací Ncelk (jednotky mg/l), je třeba zařadit post-denitrifikaci. Zbytkové koncentrace fosforu lze dále snížit (desetiny mg/l) následným srážením (Fe3+, Al3+). Pokud je voda dále recyklována, je nutné dokonalejší odstranění NL a dezinfekce, popř. i odstranění mikropolutantů.

Limity biologického čištění odpadních vod

Finální kvalita odpadní vody odtékající z ČOV přímo souvisí s kvalitou odpadních vod na přítoku. Odpadní vodu lze čistit lépe či hůře v závislosti na složení znečištění. Odpadní voda obsahuje základní polutanty jako organické znečištění (C), nutriční prvky dusík (N) a fosfor (P), a další sledované polutanty, zejména zpoplatnění podléhající RAS, AOX, Cd a Hg. Organické látky v odpadní vodě mohou být buď biologicky rozložitelné nebo nerozložitelné, případě obtížně rozložitelné. Podle povahy částic je lze zjednodušeně rozdělit na rozpuštěné či nerozpuštěné. I nerozpuštěné částice jsou buď biologicky rozložitelné či nerozložitelné, nebo se jedná o biomasu (baktérie) přirozeně se vyskytující v odpadních vodách.

Zbytkové, reziduální CHSK v odtoku lze ovlivňovat prostřednictvím konfigurace biologického procesu jen omezeně. Významné rozdíly zbytkové hodnoty CHSK je možno pozorovat mezi odtokovými koncentracemi vysoko, středně a nízko zatížených systémů. Technologický návrh nízko zatíženého systému pro další snížení reziduálního CHSK je již problematický. Vysoké hodnoty stáří kalu či vysoké hydraulické doby zdržení mohou vyvolat kontraproduktivní efekt, kdy již dochází k autolýze biomasy aktivovaného kalu a zvýšené produkci rozpuštěných metabolitů biologické aktivity (frakce SIp).

Pro snížení reziduální CHSK v odtoku lze v některých případech aplikovat specifická řešení, jako např. vícestupňový MBBR systém (Moving Bed Biofilm Reactor). Vlastností tohoto specifického procesu, ve kterém je biomasa kultivována ve formě biofilmu na specifickém nosiči biomasy a který je udržován v reaktoru ve vznosu, je schopnost kultivovat specifické pomalu rostoucí biodegradéry v biofilmové kultuře. Tyto bakterie, schopné rozkládat i obtížně biologicky rozložitelné organické znečištění, dokáží snížit koncentrační hodnotu reziduální CHSK leckdy významným způsobem.

V zásadě platí, že u nízko zatížených systémů je koncentrace organického znečištění v odtoku z biologického systému (typu aktivačního procesu) dána složením přítoku a dále únikem nerozpuštěných látek (NL) do finálního odtoku. U dostatečně kapacitních dosazovací nádrží jsou dosahovány koncentrace NL < 10 mg·l-1. Do jaké míry je ekonomické zařazovat další terciární stupeň dočištění v těchto případech, je více než diskutabilní. Často využívané dávkování koagulantů Fe3+ nebo Al3+ před dosazovací nádrže vede obvykle k zajímavé redukci ukazatele CHSK, a sice v rozmezí cca 5-10 mg·l-1, což může hrát významnou roli v případě funkčnosti ČOV mírně nad limitem zpoplatnění ukazatele CHSK.

Pro snížení koncentrace NL v odtoku se rovněž často realizuje terciární stupeň čištění ve formě bubnového mikrosítového filtru. Zařízení při správné údržbě dokáže vykázat zajímavé efekty čištění. Praktické zkušenosti provozovatelů však ukazují, že pokud jsou dosazovací nádrže dostatečně kapacitní, je instalace tohoto zařízení nadbytečná, neboť NL v odtoku standardně dosahují hodnoty < 10 mg·l-1.

Rovněž dusíkaté znečištěné se v odpadní vodě vyskytuje v celé řadě forem. Anorganické formy dusíku jsou rozděleny na dvě základní složky: (1) redukovaná, vyjádřená amoniakálním dusíkem, a (2) oxidovaná, vyjádřená dusičnanovým dusíkem. Pro zajištění účinného odstraňování dusíku je klíčové dosáhnout stabilní a úplné nitrifikace. V tom případě je účinnost biologická denitrifikace, a tím eliminace dusíkatého znečištění, ovlivněna (1) konfigurací aktivačního procesu a (2) kvalitou odpadní vody z hlediska jejího denitrifikačního potenciálu.

Každá ČOV proto vyžaduje zcela individuální přístup k volbě vhodné konfigurace a dimenzování v závislosti na požadovaných odtokových parametrech, kvalitě odpadní vody, aplikaci systému mechanického předčištění odpadních vod a způsobu likvidace kalové vody. Alternativou k nevhodným systémům s vysokou recirkulací jsou procesy s post-denitrifikací vyžadující dávkování externího substrátu (integrovaná post-denitrifikace, post-denitrifikační filtry, post-denitrifikační MBBR systémy). Problematickou kapitolou jednoznačně bude řešení technologií, které by umožnily dosáhnout kvalitu odtoku pod nově navrženým zpoplatněným ukazatelem N-NH4 s koncentračním limitem 2 mg·l-1. Tento limit dlouhodobě mohou plnit systémy pracující s vysokým stářím kalu, obvykle na úrovni 20-30 dní.

Zjednodušeně lze kalkulovat, že množství narostlé autotrofní nitrifikační biomasy je přímo úměrné hmotnostnímu množství přivedeného dusíku, a to v dlouhodobém časovém úseku (nitrifikační baktérie jsou pomalu rostoucí). Toto množství nitrifikačních baktérií je schopno v daném okamžiku znitrifikovat přibližně tolik dusíku, kolik odpovídá průměrnému hmotnostnímu toku. Pokud se toto zatížení během dne významně mění (běžný stav na ČOV), pak při období s vysokým zatížením je nitrifikační potenciál systému příliš nízký a neznitrifikovaný N-NH4 odteče do odtoku. Pokud máme odtokový limit N-NH4 příliš nízký, denní bilanci nám významně nezlepší ani období nočních minimálních zatížení.

Jediným technickým řešením je výstavba extrémně velkých aktivačních nádrží, kde dojde k určitému hydraulickému rozmělnění (naředění) maximálních koncentračních hodnot (obvykle nutné systémy s hydraulickou dobou zdržení > 24 hod.). Limity BAT pro Pcelk u kategorie nad 100 tis. EO jsou některými institucemi v ČR navrhovány na úrovni pod 0,2 mg·l-1. Rovněž koncentrační limit zpoplatnění pro novelu vodního zákona byl navržen 0,2 mg·l-1.

Odstraňování fosforu z odpadních vod je v naprosté většině případů realizováno pomocí chemického srážení solemi železa, méně obvykle hliníku. Zbytkové koncentrace ukazatele Pcelk jsou limitně dány součtem orthofosfátového a organicky vázaného fosforu. Srážení P-PO4 je velmi účinné a v limitě lze dosáhnou až koncentrací pod 0,1 mg·l-1. Zde však již narážíme na meze detekce analytickými metodami a chyby stanovení. U simultánního srážení se za těchto podmínek fosfor stává deficitním pro bakteriální růst a aktivované kaly z „přesrážených“ ČOV mají v naprosté většině problematické sedimentační vlastnosti.

U simultánního srážení tudíž existuje limit technologický, který lze eliminovat zařazením terciárního stupně srážení fosforu tak, aby nedocházelo ke smísení chemického a biologického kalu v aktivačním procesu. Pomineme-li negativní vlivy simultánního srážení fosforu na aktivační proces a kvalitu aktivovaného kalu, pak nám skutečně nezbývá jiné řešení, než instalovat terciární stupeň chemického srážení fosforu. Jedná se o investičně i provozně poměrně nákladné řešení terciární linky sestávající z objektů chemického hospodářství s dávkovacím zařízením, nádrže rychlého a pomalého míchání a separace v samostatné usazovací nádrži, obvykle vybavené lamelami pro zvýšení účinnosti a snížení plochy nádrží, případně jiným způsobem separace kalu (flotace, filtrace).

Provedená analýza limitací biologické čistitelnosti odpadních vod pro jednotlivé nejdůležitější polutanty ukazuje, že základní biochemické a hydraulické principy biologického čištění odpadních vod nelze žádným způsobem ošálit. U některých polutantů nemáme žádné smysluplné možnosti jejich ekonomického odstranění z odpadních vod na komunálních ČOV (RAS, AOX, Cd, Hg). Pokud aktivační systém pracuje jako nízko zatížená aktivace (naprostá většina ČOV), pak i ukazatele organického znečištění (CHSK, BSK5) jsou na svém minimu v případě, že jsou funkční dosazovací nádrže s odtokovými koncentracemi NL pod 10 mg·l-1. Ani zde neexistuje mnoho „levných“ možností, jak dosáhnout dalšího snížení. V případě dusíkatého znečištění lze smysluplně řešit odstraňování Ncelk výběrem vhodné technologie čištění. Obtížně je však řešitelné snížení N-NH4 pod hranici 1-2 mg·l-1, a to i u systémů vykazujících úplnou a stabilní nitrifikaci.