Hogyan segítenek a mikrobák szennyvizeink visszanyerésében
A civilizáció fennállásának kulcsfontosságú kihívása a vízvezeték. Ez az egyik oka annak, hogy a nagyvárosok, különösen a nagy múltúak, általában a folyók mentén helyezkednek el; A túlnyomásos víz és a vízvezeték-rendszer nem volt ismeretlen évezredekkel ezelőtt az olyan civilizációk számára, mint a maják . Talán nem meglepő, hogy a mikrobaktériumok a hősök ennek a kimondhatatlan történetnek.
A hulladék elkülönítése a víztől
Mielőtt megvizsgálnánk a higiénia e kis hőseit, alakítsuk ki a szennyvízkezelés átfogó képét. A végső cél a hulladék által használhatatlanná tett víz felszívása és megfelelő tisztítása ahhoz, hogy visszakerüljön a környezetbe. A folyamat során eltávolított hulladékot a mikrobák megemésztik, a maradékot pedig kiszárítják és hulladéklerakókba, égetőkbe helyezik el, vagy a talajra alkalmazzák kondicionálóként, a forrástól és a folyamattól függően. A nagyüzemi műveletek szennyvizeink nagy részét kezelik, és az eleveniszapnak nevezett folyamatot követik . Ez a valamivel több mint 100 éve feltalált eljárás a következő alapvető lépéseket tartalmazza: szűrés, aktiválás (levegőztetés), derítés (ülepítés) és fertőtlenítés.
Az iszap egy eufemisztikus kifejezés, amelyet a barna, viszkózus folyadék leírására használnak, amely a nyers szennyvíz szűrése után keletkezik a szemcsék eltávolítására. Magát az iszapot a mikrobák sokféle közössége éli, beleértve a baktériumokat, protozoonokat és még néhány eukarióta állatot is, mint például a tardigrádok, amelyek (talán rajtunk keresztül) befutottak az otthonunkat a hulladékkezelő telephellyel összekötő csatornákon. Az iszap egy hihetetlenül gazdag közeget tartalmaz, tele szerves anyagokkal, amit mi visszataszítónak találunk, de a baktériumok finomnak találják. Ha ezt az iszapot a baktériumok feldolgozták, akkor eleveniszapnak nevezik, ami utalhat magára az anyagra és a hulladékkezelési folyamatra is.
A szereplők szerepe az egyes hulladékgazdálkodási létesítményekben eltérő, de a szennyvíz eleveniszap mikrobaktériumokra vonatkozó közelmúltban végzett globális felmérés kimutatta, hogy az egészséges eleveniszapnak 28 fő bakteriális tagja van. Ezek közül a legelterjedtebbek a Dokdonella kunshanensis , a Zoogloea fajok és a Nitrospira fajok. Ezek a legnagyobb mennyiségben előforduló baktériumok azonban még mindig csak egy kis százalékot (a teljes mennyiség kb. 3%-át) képviselik az eleveniszap mikrobiómáiban jelenlévő különféle baktériumoknak.
Levegőztetés
A szűrés után a kulcsbaktériumok életben vannak, de nem szaporodnak úgy, ahogyan szükségünk lenne rájuk, ezért levegőztetéssel „aktiváljuk” őket. Az iszap keverése vagy buborékoltatása oxigént vezet be, ami arra ösztönzi a levegőt szerető mikrobákat, hogy elkezdjenek aktívan növekedni és szaporodni, miközben elriasztja más típusú mikrobák növekedését. Ez az egyszerű kiválasztás, amely a folyamat velejárója, hasonló ahhoz, ahogy az otthoni mikrobiológusok a mikrobák egy speciális, hasznos részhalmazát tenyésztik ki komposztáláshoz vagy kovászos ételhez. Valójában a létesítmények néha eleveniszappal töltik fel a bejövő iszapot, hogy az egészséges tételekből származó baktériumközösségek már a kezdetektől jelen legyenek.
Az iszapban lévő aerob baktériumok megemésztik a körülöttük lévő szerves anyagokat, hogy szaporodjanak és növekedjenek, és megváltoztatják az iszap kémiai összetételét az ammónia nitráttá és nitritté történő oxidálásával a nitrifikációnak nevezett folyamat során . A folyamat olyan előrehaladást követ, amely mindenki számára ismerős lesz, aki mikrobiológiát tanult: van egy késleltetési időszak, amikor ezek a baktériumok először növekedésnek indulnak, majd egy exponenciális növekedési fázis, egy állófázis és végül egy öregedési szakasz, amikor az éhező baktériumok elkezdenek elpusztulni. le. Pezsgő, iszapos új otthonukban ezek a baktériumok végzik el helyettünk a legtöbb munkát, és az iszapot további baktériumsejtekké alakítják.
Ebben a folyamatban a legtöbb ember szerepe az, hogy mindent megteszünk, hogy a mikrobákat a pályán tartsuk. Ez magában foglalja az iszapból minták vételét, hogy nyomon kövessék annak előrehaladását. A mérőszámokat, például az oldott oxigén és a szerves anyagok mennyiségét, a baktériumok mennyiségét és típusait, például a tenyészthető indikátorfajokat (pl. coliform baktériumok) és más mutatókat használnak a folyamat különböző szakaszainak azonosítására. A hulladékkezelő létesítmények a biológiai oxigénigényt (a mikrobák által elfogyasztott oxigén mennyiségének mértékét) is felhasználják az élelmiszer-tömeg (vagy mikroba) arány kiszámításához. Ezek az értékek lehetővé teszik a tudósok számára, hogy feltérképezzék útjukat az állófázisig, amikor az iszapot már nem kell levegőztetni.
Az iszapban baktériumcsomók, úgynevezett pelyhek képződnek, mivel ezek a mikrobák segítenek a benne lévő víz visszanyerésében. A homofonhoz hasonlóan a flokkuláció egy olyan folyamat, amelyben ezek az aerob baktériumok extracelluláris polimer anyagokból álló biofilmeket állítanak elő, amelyek lehetővé teszik, hogy összetapadjanak. Ezek a biofilmek segítenek a mikrobiológusoknak nyomon követni, hogy egy egészséges baktériumkonzorcium mikor dolgozik aktívan a hulladék megemésztésén, miközben az olyan jelek, mint a túlzott hab, olyan mikrobákra utalnak, amelyek nem csapatjátékosok.
Ha rossz mikrobák jelennek meg, vagy a folyamat elromlik, akkor az emberek vegyileg beavatkoznak, vagy eltávolítják a felesleges iszapot. A fonalas baktériumok „rossz mikrobákká” válhatnak, ha nem működnek együtt a baktériumok biofilm-konzorciumával, és túlzott mennyiségű filamentumot termelnek. Ez a „száltömörítés” megakadályozza az iszap leülepedését.A folyamat végére változatos mikroorganizmusokból álló érett tápláléklánc jön létre, amely képes biokémiailag átalakítani az iszapot . A baktériumok iszapból táplálkoznak; az amőbák és a csillófélék (például a peritrichek) a baktériumokkal táplálkoznak; a tardigrádok (és az esetenként fonálférgek) pedig a csúcsragadozókat. A táplálékhálónak ezek a magasabb rendű tagjai a baktériumok növekedésének exponenciális szakaszában feltűnőbbé válnak, de ha túl gyakorivá válnak, az annak a jele, hogy valami elromlott (például túl sokáig levegőztették az iszapot).
Tisztítás és fertőtlenítés
Amikor eljött az ideje, hogy abbahagyja a buborékolást, az eleveniszap a következő fázisába lép: a derítésbe. Ahogy az ivóleves , gyümölcsleves palackok hátoldalán is olvasható, „az ülepedés természetes”, ezért megvárjuk, míg a pelyhek és a maradék iszap kiülepedik a már-már vizes oldatból. Miután a víz a létesítmény megelégedésére kitisztult, a fenéken koncentrálódott eleveniszapot további feldolgozásra küldik.
A maradék iszap egy második bakteriális emésztésen megy keresztül oxigén nélkül. Az anaerob baktériumok tovább bontják az iszapot, és a nitrátot és a nitritet nitrogéngázzá redukálják a denitrifikációnak nevezett folyamat révén . Az anaerob rothasztás során keletkező biogázt (elsősorban metánt és szén-dioxidot ) elégetik vagy tovább tisztítják, hogy az energetikai cégeknek értékesítsék. Az ilyen anaerob emésztés a folyamat különböző szakaszaiban előfordulhat.
Ezután az eleveniszap legutolsó részét, amely túléli az elsődleges és másodlagos mikrobiális emésztést, szárítják. Ez a „hulladék-eleveniszap” összetételétől függően műtrágyaként vagy füstként távozhat a létesítményből. Itt, sok héttel és mikrobiális segítséggel később modern szennyvizünk végső rendeltetési helye.
A felülúszót (latinul „nagy úszók”) a derítés után vegyszerekkel, például klórral vagy ultraibolya (UV) sugárzással fertőtlenítik. Ez az utolsó lépés hatékonyan elpusztítja a megmaradt, akár patogén, akár egyéb szervezeteket, amelyek eddig eljutottak. Ha a kórokozók aggodalomra adnak okot, a folyamat során ellenőrzéseket végeznek annak biztosítására, hogy a víz visszanyerésekor megszűnjenek. Végül, a víz, amely egyszer áthaladt a vesén, készen áll arra, hogy újra csatlakozzon az ökoszisztémához, gyakran a helyi tavak és folyók útján.