Akvatisk mikrobiologi, refererer til studiet af mikroorganismer og deres aktiviteter i naturlige vandområder, som for eksempel søer, vandløb, floder, flodmundinger og oceaner.
17.3.1 Akvatiske mikroorganismer
Store forekomster af mikroorganismer i en vandmasse, indikerer almindeligvis høje niveauer af næringsstoffer i vandet. Vand forurenet med tilstrømning fra kloaksystemer eller fra biologisk nedbrydeligt industrielt organisk affald, har et relativt højt antal af bakterier. Ligeledes har havflodmundinger (dannet hvor floder løber ud i havet), højere niveauer af næringsstoffer og dermed større mikrobielle populationer, end andre kystlinjefarvande.
I vand, især ved lave koncentrationer af næringsstoffer, har mikroorganismer tendens til at vokse på stationære overflader og partikler. På denne måde, har mikroorganismerne kontakt med flere næringsstoffer, end hvis den tilfældigt blev suspenderet og flød frit med strømmen. Mange bakterier, hvis vigtigste levested er vand, har ofte ”lemmer” og fastgørelsesmekanismer, der kan vedhæfte dem til forskellige overflader. Et eksempel er Caulobacter.
Ferskvandsmikrobiota
En typisk sø eller dam, tjener som et eksempel på de forskellige vandzoner og hvilke forskellige typer af mikrobiota der findes i et ferskvandslegeme. Den littorale zone langs kysten, har en betydelig rodvegetation og lys trænger igennem den. Den limniske zone, består af overfladen på det åbne vandområde væk fra kysten. Den profundale zone, er det dybere vand under den limniske zone. Den bentiske zone, indeholder sedimentet på bunden.
Mikrobielle populationer i ferskvandsområder, har tendens til primært at være påvirket af tilgængeligheden af oxygen og lys. På mange måder, er lys den vigtigste ressource, fordi fotosyntetiske alger, er den vigtigste kilde til organisk stof og dermed energi, i søen. Disse organismer er de primære producenter i en sø, der understøtter en population af bakterier, protozoer, fisk og andre vandlevende organismer. Fotosyntetiske alger er placeret i den limniske zone.
Oxygen diffunderer ikke særligt godt i vand, som en hver akvarieejer ved. Mikroorganismer der vokser på næringsstoffer i stillestående vand, vil hurtigt forbruge det opløste oxygen i vandet. I oxygenfrit vand, dør fisk og anaerob aktivitet giver lugtgener. Bølger i lavvandede lag eller vandbevægelse i floder, har tendens til at øge mængden af oxygen i vandet og støtter dermed væksten af aerobe populationer af bakterier. Bevægelse forbedrer dermed kvaliteten af vandet og hjælper med nedbrydningen af forurenende næringsstoffer.
Dybere vand i den profundale og bentiske zone, har lavere oxygenkoncentrationer og mindre lys. Algevækst nær overfladen, filtrerer ofte lyset og det er ikke usædvanligt for fotosyntetiske organismer i de dybere zoner, at anvende forskellige bølgelængder af lys, fra dem der anvendes af fotosyntesen i organismerne i overfladelaget (se figur 10.3.1.1a).
Violette og grønne svovlbakterier, findes i den profundale zone. Disse bakterier er anaerobe, fotosyntetiske organismer, der metaboliserer H2S til svovl og sulfat i bundsedimenterne i den bentiske zone.
Sedimentet i den bentiske zone, omfatter bakterier som Desulfovibrio der bruger sulfat (SO42-) som elektronacceptor og reducerer det til H2S. Metan producerende bakterier, er også en del af disse anaerobe bentiske populationer. I sumpe, moser eller bundsedimenter, producerer de metangas. Clostridium arter, er almindelige i bundsedimenterne og kan omfatte botulismeorganismer, især dem der forårsager udbrud af botulisme hos vandfugle.
Havvandsmikrobiota
Som viden om det mikrobielle liv i havet udvides, i høj grad identificeret ved ribosomale RNA metoder, bliver biologer mere bevidste om vigtigheden af oceaniske mikroorganismer. Havbundssedimenter, har vist sig at have store populationer af bakterier. Disse organismer, er for det meste Archaea, der er tilpasset godt til miljøbelastninger og har lave energibehov. En konklusion har hidtil været, at næsten en tredjedel af alt liv på planeten, består af mikroorganismer der lever, ikke i havet, men under havbunden. Disse mikroorganismer fremstiller enorme mængder metangas, der kunne være miljøskadelige, hvis det blev frigivet til atmosfæren.
I det øvre, relativt solbelyste vand i havet, er der rigelige mængder af de fotosyntetiske cyanobakterier af slægterne Synechococcus og Prochlorococcus. Populationerne af forskellige stammer, varierer i forskellige dybder i henhold til deres tilpasninger til det tilgængelige sollys. En dråbe havvand, kan indeholde 20.000 celler af Prochlorococcus, en lille kugle på under 0,7 µm i diameter. Denne usynlige population af mikroskopiske organismer, fylder de øverste cirka 100 meter af havet og udøver en stor indflydelse på livet på Jorden. Støtten til det oceanske liv, afhænger i høj grad af et sådant fotosyntetisk, mikroskopisk liv, det marine phytoplankton (et udtryk afledt af græsk for vandrende planter).
Fotosyntetiske bakterier som disse, danner grundlag for den oceanske fødekæde. Milliarder af disse i hver liter havvand, fordobler deres antal på et par dage og spises i næsten samme hastighed af mikroskopiske rovdyr. De fikserer kuldioxid for at danne organisk stof, der til sidst frigives som opløst organisk stof og forbruges af havets heterotrofe bakterier. En cyanobakterier, Trichodesmium, fikserer nitrogen og hjælper med at genopbygge det nitrogen, der tabes som mikroorganismer synker til oceanske dybder. Enorme populationer af en anden bakterie, Pelagibacter ubique, metaboliserer affaldsprodukter fra disse fotosyntetiske populationer.
I dybder under cirka 100 m, begynder medlemmer af Archaea at dominere det mikrobielle liv. Planktonisk medlemmer af denne gruppe af slægten Crenarchaeota, tegner sig for en stor del af den mikrobielle biomasse i havene. Disse organismer er godt tilpasset til de kølige temperaturer og lave oxygenindhold i de oceanske dybder. Deres kulstofkilde er primært afledt af CO2.
Mikrobiel bioluminescens, eller lysemission, er et interessant aspekt af dybhavets liv. Mange bakterier er selvlysende og nogle har etableret simbiotiske relationer med fisk i den bentiske zone. Disse fisk, bruger nogle gange skæret af deres symbiotiske bakterier, som hjælp i at tiltrække og fange byttedyr i dybhavets komplette mørke (se figur 17.3.1.1). Disse selvlysende organismer har et enzym, kaldet luciferase, der opfanger elektroner fra flavoproteiner i elektrontransportkæden og derefter udsender noget af elektronens energi, som en foton af lys.
17.3.2 Mikroorganismers rolle i vandkvaliteten
Vand i naturen, er sjældent helt rent. Selv nedbør er forurenet, når den falder til Jorden.
Vandforurening
Den form for vandforurening, der er vores primære interesse her, er mikrobiel forurening, især med patogene organismer.
Overførsel af smitsomme sygdomme
Vand, der bevæger sig under jordens overflade, undergår en filtrering der fjerner de fleste mikroorganismer. Af denne grund, er vand fra kilder og brønde, almindeligvis af en god kvalitet. Den farligste form for vandforurening opstår, når afføring kommer ind i vandforsyningen. Mange sygdomme bliver forværret af den fækale-orale transmission, hvorigennem et patogen udgydes i menneskers eller dyrs afføring, forurener vand, der efterfølgende indtages. Globalt anslås det, at vandbårne sygdomme er ansvarlig for over 2 millioner dødsfald hvert år, mest blandt børn under 5 år.
Eksempler på sådanne sygdomme er tyfus og kolera, forårsaget af bakterier der kun findes i menneskers afføring. Forbedringer af sanitet, herunder brugen af sandfiltersenge, i de bedre udviklede lande, har stærkt reduceret forekomsten af disse sygdomme.
Kemisk forurening
Forebyggelse af kemisk forurening af vand er vanskeligt. Industrielle og landbrugskemikalier, udvaskes fra jord og over i vand i store mængder og i former der er resistente over for bionedbrydning. Landdistrikternes vandområder, har ofte store mængder af nitrat fra landbrugsgødning. Når det indtages, omdannes nitrat til nitrit af bakterier i mave-tarmkanalen. Nitrit konkurrerer om oxygen i blodet og kan især skade spædbørn.
Et eksempel på kemisk forurening, er de syntetiske vaskemidler der blev udviklet umiddelbart efter Anden Verdenskrig. Disse erstattede hurtigt mange af de sæber der var i brug dengang. Fordi disse nye rengøringsmidler ikke var biologisk nedbrydelige, akkumulerede de hurtigt i vandvejene. I nogle floder, kunne store flåder af sæbeskum, ses rejse nedstrøms. Disse rengøringsmidler er blevet erstattet af biologisk nedbrydelige syntetiske stoffer.
Bionedbrydelige rengøringsmidler, kan dog stadig repræsentere et stort miljøproblem, fordi de indeholder phosphater. Desværre, passerer phosphater næsten uændrede gennem kloaksystemerne og kan føre til eutrofiering (overgødning), der bliver forårsaget af en overflod af næringsstoffer i søer og vandløb.
For at forstå begrebet eutrofiering, så husk på at alger og cyanobakterier får deres energi fra sollys og deres kulstof fra kuldioxid opløst i vand. I de fleste farvande, er det derfor kun nitrogen og phosphor forsyningerne der kan blive utilstrækkelige for algevæksten. Begge disse næringsstoffer kan tilføres vand fra husholdnings-, landbrugs- og industriaffald, når affaldsbehandlingen er fraværende eller ineffektiv. Disse yderligere næringsstoffer forårsager store akvatiske vækstrater, kaldet algeopblomstringer. Fordi mange cyanobakterier kan fiksere nitrogen fra atmosfæren, kræver disse fotosyntetiserende organismer, kun spor af phosphor for at indlede en opblomstring. Når eutrofiering resulterer i opblomstringen af alger eller cyanobakterier, er virkningen den samme som at tilføre bionedbrydeligt organisk materiale. På kort sigt, producerer disse alger og cyanobakterier oxygen, men de død til sidst og nedbrydes af bakterier. Under nedbrydningsprocessen, bliver oxygenet i vandet opbrugt og dræber fiskene. Ikke-nedbrudte rester af organisk stof, sedimenterer sig på bunden og fremskynder opfyldningen af søen.
Rødt tidevand af toksin-producerende phytoplankton (se figur 17.3.2.1), der blev nævnt i del 10 under Dinoflagellater, er sandsynligvis forårsaget af overdrevne mængder af næringsstoffer fra oceanske upwellinger eller terrestrisk affald. Udover eutrofielingseffekter, kan denne form for biologisk opblomstring påvirke menneskers sundhed. Fisk og skalddyr, især muslinger eller lignende bløddyr, som indtager disse alger, bliver giftige for mennesker.
Kommunalt affald, der indeholder rengøringsmidler, er sandsynligvis den vigtigste kilde til phosphater i søer og vandløb. Som følge heraf, er phosphatholdige detergenter og græsplænegødninger forbudt i mange lande.
Vandrenhedsprøver
Historisk set, er det meste af vores bekymring over vandets renhed, blevet relateret til overførsel af sygdomme. Derfor er der blevet udviklet tests til at bestemme sikkerheden af vandet; mange af disse tests kan også bruges for fødevarer.
Det er dog ikke praktisk, kun at kigge efter patogener i vandforsyningen. For det første, ville opdagelsen af patogener der forårsager tyfus eller kolera i vandforsyningen, allerede være for sent til at forhindre et udbrud af sygdommen. For det andet ville sådanne patogener sandsynligvis kun være til stede i mindre mængder og måske slet ikke indgå i de testede prøver.
Tests for vandets renhed, der er i brug i dag, retter sig i stedet mod tilstedeværelsen af bestemte indikatororganismer. Der er flere kriterier for en indikatororganisme. Det vigtigste kriterium er, at mikroorganismen skal være konstant til stede i menneskers afføring i et betydeligt antal, så deres opdagelse er en god indikation af, at menneskelig afføring er tilført eller tilføres vandet. Indikatororganismen bør også kunne overleve lige så godt i vandet, som patogenet ville kunne. Indikatororganismen, skal kunne påvises ved simple tests, der kan udføres af folk med en relativ lille viden om mikrobiologi.
I Europa og USA, er de sædvanlige indikatororganismer i ferskvand, de coliforme bakterier. Coliforme bakterier defineres som aerobe eller fakultativt anaerobe, Gramnegative, ikke-endosporedannende, stavformede bakterier, der fermenterer lactose til dannelse af gas inden for 48 timer, ved anbringelse i lactosebouillon og inkuberet ved 35 ºC. Fordi nogle colibakterier ikke alene er enteriske bakterier, men også er almindeligt forekommende i plante- og jordprøver, angiver mange standarder for vand- og fødevareprøver, identifikationen af fækale colibakterier. Den fremherskende fækale colibakterie er E. coli, der udgør en stor del af den menneskelige intestinale population. Der er specialiserede tests, der skelner fækale colibakterier fra ikke-fækale colibakterier. Det skal bemærkes, at colibakterier i sig selv ikke er patogene under normale forhold, selv om visse stammer kan forårsage diarré og opportunistiske urinvejsinfektioner.
Metoderne til bestemmelse af tilstedeværelsen af coliforme bakterier, bygger i vid udstrækning på den lactose-fermenterende evne hos coliforme bakterier. Membranfiltreringsteknikken, er en mere direkte måde til bestemmelse af tilstedeværelsen og antallet af coliforme bakterier. Dette er muligvis den mest udbredte metode i Nordamerika og Europa. Den gør brug af en vakuumfiltreringsapparat, hvor bakterierne opsamles på overfladen af et aftageligt membranfilter. Membranfilteret placeres på et passende medium og inkuberes. Coliforme kolonier har et karakteristisk udseende og tælles. Denne metode er egnet til vandprøver med lav turbiditet og vandprøver med relativt få ikke-coliforme bakterier der kan maskere resultaterne.
En nyere og mere bekvem fremgangsmåde til påvisning af coliforme bakterier, specielt den fækale coliforme bakterie E. coli, gør brug af medier indeholdende de to substrater o-nitrophenyl-β-D-galactopyranosid (ONPG) og 4-methylumbelliferyl-β-D-glucuronid (MUG). Coliforme bakterier producerer enzymet β-galactosidase, der virker på ONPG og giver en gul farve, hvilket indikerer deres tilstedeværelse i prøven. E. coli er unik blandt de coliforme bakterier i det de næsten altid producerer enzymet β-glucuronidase, der virker på MUG og danner en fluorescerende forbindelse der løses blåt, når den belyses med langbølget UV-lys. Den kan også anvendes på faste medier, som for eksempel i membranfiltreringsmetoden. Kolonierne fluorescerer i UV-lys. Disse enkle tests, eller varianter af dem, kan påvise tilstedeværelsen eller fraværelsen af coliforme bakterier eller E. coli.
Coliforme bakterier, har været en meget nyttig indikatororganisme i vandsanitet, men de har begrænsninger. Et problem er væksten af coliforme bakterier indlejret i biofilm på de indre overflader af vandrør. Disse coliforme bakterier repræsenterer ikke ekstern fækal forurening af vandet og de betragtes ikke som en trussel for den offentlige sundhed. Standarderne fro tilstedeværelsen af coliforme bakterier kræver, at enhver positiv vandprøve indberettes og lejlighedsvis er disse naturligt forekommende colibakterier blevet påvist. Dette har ført til unødvendige advarsler om at koge drikkevandet.
Et mere alvorligt problem er, at nogle patogener, især vira, protozoer og oocyster, er mere modstandsdygtige end colibakterier mod kemisk desinfektion. Gennem brug af avancerede fremgangsmåder til påvisning af vira, har det vist sig, at kemisk desinficerede vandprøver, der er fri for coliforme bakterier, ofte stadig er forurenede med enteriske vira. Cysterne fra Giardia intestinalis og oocyster fra Cryptosporidium, er så modstandsdygtige over for klorering, at en fuldstændig eliminering af dem ved denne metode, sandsynligvis er upraktisk; mekaniske metoder som for eksempel filtrering, er nødvendigt. En generel regel for klorering er, at vira er mere resistente over for behandling, en E. coli og cysterne fra Cryptosporidium og Giardia er 100 gange mere modstandsdygtige end vira.
17.3.3 Vandbehandling
Når vand opnås fra ikke-forurenede reservoirer fra klare bjergbække, eller fra dybe brønde, kræves der minimal behandling for at gøre vandet sikkert at drikke. Mange byer får dog deres drikkevand fra forurenede drikkevandsreservoirer. De trin der anvendes til at oprense dette vand, er vist i figur 17.3.3.1. Denne vandbehandling er ikke beregnet til at fremstille sterilt vand, men svarer vand der er fri for sygdomsfremkaldende mikroorganismer.
Koagulation og filtrering
Meget uklart vand, får lov til at stå i et opbevaringsreservoir i en tid, så mange af de suspenderede partikler får tid til at bundfælde sig. Vandet undergår herefter flokkulering, der er fjernelse af kolloide partikler som for eksempel ler, som er så små (mindre end 10 µm) at de ville forblive suspenderede på ubestemt tid. En kemisk flokkuleringsmiddel (udfældningsmiddel), som for eksempel kaliumaluminiumsulfat (alun), danner aggregater af fine suspenderede partikler, kaldet fnug. Som disse aggregater langsomt bundfældes, fanger og indeslutter de kolloidt materiale og bærer dem til bunden. Et stort antal vira og bakterier, fjernes også på denne måde. Alun blev blandt andet brug til at opklare mudret flodvand, i første halvdel af det nittende århundrede i de militære forter i det vestlige USA, længe før kimteorien om sygdom blev udviklet.
Efter flokkulering, bliver vandet behandlet ved filtrering, det vil sige at lege det gennem senge med fint sand eller knust antracit kul (kul med meget højt indhold af kulstof). Som tidligere nævnt, bliver nogle protozoer og oocyster fjernet fra vandet ved en sådan filtrering. Mikroorganismerne fanges som regel af overfladeabsorptionen for sandpartiklerne. De kan ikke trænge ind gennem de bugtede kanaler mellem partiklerne, selvom kanalerne kan være større end de mikroorganismer der filtreres ud. Disse filtre skal jævnligt renskylles, for at fjerne ophobninger af disse mikroorganismer. Vandsystemer i byder, der har en ekstraordinær bekymring for giftige kemikalier, supplerer sandfiltreringen med et filter af aktivt kul. Aktive kulfiltre, fjerner ikke blot partikler, men også de fleste organiske kemiske stoffer. Et korrekt betjent vandrensningsanlæg, vil fjerne virus (der er sværere at fjerne end bakterier og protozoer) med en effektivitet på cirka 99,5%. Membranfiltreringssystemer under lavt tryk, kommer nu så småt også i brug. Disse systemer har poreåbninger så små som 0,2 µm og er mere pålidelige i fjernelsen af Giardia og Cryptosporidium.
Desinfektion
Før vandet kommer ind i det kommunale distributionssystem, skal det filtrerede vand kloreres. Fordi organisk stof neutraliserer chlor, skal anlægsoperatørerne være konstant opmærksomme på opretholdelsen af effektive niveauer af chlor.
Et andet desinfektionsmiddel til vand, er ozonbehandling. Ozon (O3), er en meget reaktiv form for oxygen, der dannes af elektriske gnistudladninger og UV-lys (den karakteristiske lugt af luften efter et voldsomt tordenvejr eller omkring en UV-pære er fra ozon). Ozon til vandbehandling, genereres elektrisk ved stedet hvor behandlingen finde sted. Ozonbehandling er også værdsat, fordi det ikke efterlader nogen lugt eller eftersmag i vandet. Fordi det har ringe restvirkning, anvendes ozon sædvanligvis som primært behandlingsmiddel og efterfølges af klorering. Anvendelse af UV-lys er også et supplement til eller alternativ til kemisk desinfektion. De ultraviolette lysrør, er arrangeres således, at vandet løber tæt forbi dem. Dette er nødvendigt grundet UV-strålingens ringe gennemtrængningsevne.
17.3.4 Spildevandsbehandling
Spildevand omfatter alt det vand fra en husstand, der bruges til vask og i toilettet. Regnvand strømmer ned i afløb på gaderne og industrielt affald kommer i kloakken i mange byer. Spildevand er for det meste vand og indeholder kun få partikler, måske kun omkring 0,03%. Alligevel udgør den faste del af spildevandet i større byer, mere end 1.000 tons fast materiale om dagen.
Indtil miljøbevidstheden blev intensiveret, havde de fleste større byer kun rudimentære rensningsanlæg eller slet ingen. Ubehandlet eller næsten ubehandlet spildevand, blev ganske enkelt bare udledt i floder og i havene. En flydende, veliltet strøm, er i stand til en betydelig selvrensning. Derfor gav denne afslappede holdning til kommunalt spildevand, ikke anledning til problemer, før de ekspanderende befolkninger oversteg denne selvrensningsevne. I den vestlige verden, er de fleste tilfælde af denne afslappede udledning blevet ændret, men dette er ikke tilfældet i store dele af den mindre udviklede del af verden. Mange befolkninger der bor ud til for eksempel den afrikanske del af Middelhavet, dumper deres uforarbejdede spildevand direkte i havet.
Primær spildevandsbehandling
Det sædvanlige første trin i spildevandsbehandling, kaldes primær spildevandsbehandling (se figur 17.3.4.1a). I denne proces, bliver store flydende materialer i det indkomne spildevand fjernet og spildevandet passerer gennem et bundfældningskammer, for at fjerne sand og lignende grynede materialer. Det passerer også gennem skummere for at fjerne flydende olie og fedt og det tilbageværende flydende materiale strimles og males. Efter dette trin, passerer det gennem endnu et bundfældningskammer, hvor yderligere fast stof bundfældes. Det faste stof i spildevandet der bundfældes, kaldes for slam – på dette trin, primært slam. Omkring 40-60% af det suspenderede faste stof, fjernes fra spildevandet ved denne bundfældningsbehandling. Flookulerende kemikalier tilsættes somme tider til dette trin, for at fjerne yderligere mere fast stof. Biologisk aktivitet, er ikke særligt vigtigt i den primære behandling af spildevandet, selv om der kan forekomme en vis nedbrydning af slam og opløst organisk stof under lange holdetider af spildevandet. Slammet fjernes enten på en kontinuerlig eller periodisk basis og spildevandet (væsken der kommer ud efter den primære spildevandsbehandling) undergår derefter en sekundær behandling.
Biokemisk oxygenforbrug
Et vigtig begreb i spildevandsrensning og i den generelle økologi i affaldsbehandling, er biokemisk oxygenforbrug (BOF), et mål fro biologisk nedbrydeligt stof i vand. Den primære spildevandsbehandling, fjerner cirka 25-35% af BOF fra spildevandet.
BOF bestemmes af den mængde oxygen der kræves af bakterier, for at metabolisere det organiske materiale. Den klassiske metode til måling, er brug af særlige flasker med lufttætte propper. Hver flaske fyldes først med testvand eller fortyndinger. Vandet iltes indledningsvis for at tilvejebringe en relativ høj mængde opløst oxygen og poden med bakterier om nødvendigt. De fyldte flasker inkuberes i mørke i 5 dage ved 20 ºC og nedgangen i opløst oxygen, måles ved en kemisk eller elektronisk testmetode. Jo mere oxygen der er forbrugt som bakterierne nedbryder det organiske stof i prøven, desto større BOF, der normalt udtrykkes som milligram opløst oxygen per liter vand. Mængden af oxygen der kan opløses i vand, er normalt cirka 10 mg/L; typiske BOF værdier for spildevandet kan være 20 gange dette niveau. Hvis dette spildevand kommer ind i en sø, vil bakterier i søen begynde at forbruge det organiske stof ansvarlig for det høje BOF og forbruger hurtigt oxygenet i søen.
Sekundær spildevandsbehandling
Efter den primære spildevandsbehandling, er den største del af BOF tilbageværende i spildevandet, i form af opløst organisk stof. Den sekundære spildevandsbehandling, der overvejende er biologisk, er designet til at fjerne det meste af dette organiske stof og reducere BOF (se figur 17.3.4.1b). I denne proces, undergår spildevandet stærk iltning, for at fremme væksten af aerobe bakterier og andre mikroorganismer, der oxiderer det opløste organiske materiale til kuldioxid og vand. To almindeligt anvendte metoder til sekundær spildevandsbehandling er aktiverede slamsystemer og overrislingsfiltre.
I iltningstankene i et aktiveret slamsystem, bliver luft eller ren oxygen ledt gennem spildevandet fra den primære spildevandsbehandling (se figur 17.3.4.2). Navnet er afledt fra den praksis med tilsætning af noget af slammet fra en tidligere batch af slam til det indkomne spildevand. Dette inokulum betegnes som aktiveret slam, fordi det indeholder et stort spildevandsmetaboliserende mikroorganismer. Aktiviteten af disse mikroorganismer, oxiderer meget af spildevandets organisme materiale til kuldioxid og vand. Vigtige medlemmer af dette mikrobielle samfund er arter af Zoogloea bakterier, der danner bakterieholdige masser i iltningstankene, kaldet fnug eller slamgranulat. Opløst organisk stof i spildevandet, bliver indarbejdet i fnuggene og deres mikroorganismer. Iltningen afbrydes efter 4 til 8 timer og indholdet af tanken overføres til en bundfældningstank, hvor fnuggene bundfælles, hvilket fjerner meget af det organiske stof. Disse faste stoffer, behandles efterfølgende i en anaerob slamforrådnelsestank, som beskrives senere. Sandsynligvis fjernes mere organisk materiale ved denne bundfældningsproces, end ved den relativt korte aerobe oxidation fra mikroorganismer. Det klare spildevand desinficeres og udledes.
Undertiden, vil slammet hellere flyde end bundfældes; dette fænomen kaldes bulkning. Når dette sker, flyder det organiske stof sammen med spildevandet til udledning, hvilket resulterer i en lokal forurening. Bulkning er forårsaget af væksten af trådformede bakterier af forskellige typer; Sphaerotilus natans og Nocardia arter er typiske eksempler på disse bakterier. Aktiverede smalsystemer er ganske effektive; de fjerner 75-95% af BOF fra spildevandet.
Overrislingsfiltre, er den anden almindeligt anvendte metode til sekundær spildevandsbehandling. I denne fremgangsmåde, bliver spildevandet sprøjtet over et leje af sten eller støbt plast (se figur 17.3.4.3). Komponenterne i tanken, skal være store nok til at der kan trænge oxygen ned til bunden, men små nok til at maksimere overfladearealet der er til rådighed for mikrobiel aktivitet. En biofilm af aerobe mikroorganismer vokser på sten- eller plastoverfladerne. Fordi luft kan cirkulere i hele tanken, kan disse aerobe mikroorganismer i biofilmen, oxidere meget af det organiske stof der risler ned gennem tanken, til kuldioxid og vand. Overrislingsfiltre fjerner 80-85% af BOF, så de er generelt mindre effektive end de aktiverede slamsystemer. De er imidlertid sædvanligvis mindre besværlige at betjene og har færre problemer med overbelastning eller giftigt spildevand. Bemærk at slam også er et produkt fra overrislingsfiltersystemer.
Et andet biofilm-baseret design til sekundær spildevandsbehandling, er det roterende biologiske kontraktorsystem. Dette er en serie af skiver, der kan være flere meter i diameter, monteret på en aksel. Skiverne roterer langsomt, med deres nedre 40% nedsænket i spildevandet. Rotationen ilter spildevandet og yder kontakt mellem biofilmen på skiverne og spildevandet. Rotationen har også tendens til at udskifte den akkumulerede biofilm, når den bliver for tyk. Dette er næsten tilsvarende til fnugophobningen i aktiverede slamsystemer.
Desinfektion og udledning
Det behandlede spildevand desinficeres normalt ved klorering inden det udledes (se figur 17.3.4.1c). Udledningen sker normalt i havet eller i strømmende vandløb, selv om sprøjtevandingsmarker undertiden anvendes for at undgå phosphor- og tungmetalforurening af vandvejene.
Spildevandet kan behandles til en renhedsgrad, der tillader at det anvendes til drikkevand – indtagende betegnet som ”toilet-til-vandhane”. Dette er en praksis der nu er i anvendelse i byer beliggende i tørre områder i blandt andet USA. I et typisk system, bliver spildevandet filtreret for at fjerne mikroskopiske suspenderede partikler og ledes derefter igennem et omvendt osmoserensningssystem til fjernelse af mikroorganismer. Eventuelle resterende mikroorganismer, dræbes ved udsættelse for UV-lys og hydrogenperoxid.
Slamnedbrydning
Primært slam ophobes i primære bundfældningstanke; slam akkumuleres også i aktiveret slamsystemer og i overrislingsfiltersystemer i den sekundære spildevandsbehandling. For yderligere behandling, pumpes dette slam ofte til anaerobe forrådnelsesstanke (se figur 17.3.4.1d og figur 17.3.4.4). Processen med slamnedbrydning, udføres i store tanke, hvori oxygen næsten ikke er til stede.
I den sekundære spildevandsbehandling, lægges der vægt på at fastholde aerobe forhold, så organisk stof omdannes til kuldioxid, vand og faste stoffer der kan bundfældes. En anaerob forrådnelsestank, er dog designet til at fremme væksten af anaerobe bakterier, især metan-producerende bakterier, der omsætter disse organiske stoffer, ved at nedbryde dem til opløselige stoffer og gasser, hovedsageligt metan (60-70%) og kuldioxid (20-30%). Metan og kuldioxid, er relativt uskadelige slutprodukter, der kan sammenlignes med kuldioxid og vand fra den aerobe behandling. Metanen anvendes rutinemæssigt som brændstof til opvarmning af forrådnelsestanken og anvendes ofte også til at fremstille elektricitet for at drive anlæggets elektriske udstyr.
Der er grundlæggende tre trin i aktiviteten i en anaerob forrådnelsestank. Det første trin er produktion af kuldioxid og organiske syrer fra anaerob fermentering af slammet, fra forskellige anaerobe og fakultativt anaerobe mikroorganismer. I det andet trin, metaboliseres de dannede organiske syrer til dannelse af hydrogen og kuldioxid, såvel som organiske syrer som for eksempel eddikesyre. Disse produkter er råvarerne til det tredje trin, hvor metan-producerende bakterier danner metan (CH4). Det meste af metanen, afledes fra en energigivende reduktion af kuldioxid med hydrogengas:
Andre metan-producerende mikroorganismer, spalter eddikesyre (CH3COOH) til frembringelse af metan og kuldioxid:
Efter den anaerobe nedbrydning er fuldført, er der stadig relativt store mængder slam tilbage, selv om det er relativt stabilt og inaktivt. For at mindske dets omfang, pumpes dette slam til lave tørringssenge, eller vandudvindingsfiltre. Efter dette trin, kan slammet deponeres eller bruges til jordforbedringsmiddel. En del slam sendes også til forbrænding til fremstilling af varme og elektricitet. Slam er inddelt i to klasser: klasse A slammet indeholder ingen påviselige patogener og klasse B slammet videre behandles udelukkende for at bringe antallet af patogener ned under visse niveauer. Det meste slam er klasse B og offentlig adgang til opbevaringsstedet er begrænset. Slam har omkring en femtedel af den vækstfremmende værdi som den normale kommercielle græsplænegødning har, men besidder ønskværdige jordkonditioneringsegenskaber på samme niveau som for eksempel barkflis. Et potentielt problem ved anvendelsen af slam som jordkonditionering er en eventuel forurening med tungmetaller, der er giftige for planter og dyr.
Septiktanke
Private hjem og virksomheder i områder med en lille befolkningstæthed og som ikke er tilsluttet kommunale kloaksystemer, bruger ofte en septiktank der er en anordning, der i princippet fungerer på samme måde som den primære spildevandsbehandling (se figur 17.3.4.5). Spildevandet ledes ind i en opbevaringstank og suspenderet stof udfældes. Slammet i denne opbevaringstank, skal periodisk tømmes og afskaffes. Spildevandet strømmer gennem et system af perforerede rør i en udvaskningsmark (jorddræning). Spildevandet ledes ned i jorden og nedbrydes af mikroorganismer i jorden. Den mikrobielle aktivitet, der er nødvendig for en velfungerende septiktank, kan svækkes af store mængder produkter, som for eksempel antibakterielle sæber, afløbsrens, medicin, toiletrengøringsmidler og blegemidler.
Disse systemer fungerer godt, når de ikke overbelastes og når afløbssystemet er dimensioneret korrekt til belastningen og jordtypen. Tæt lerjord, kræver omfattende afløbssystemer på grund af jordens dårlige gennemtrængelighed. Den høje porøsitet i sandjord, kan føre til kemisk eller bakteriel forurening af nærliggende drikkevandsreservoirer eller -boringer.
Oxidationsdamme
Nogle industrier og små samfund, bruger oxidationsdamme (se figur 17.3.4.6) også kaldet laguner eller stabiliseringsdamme til vandbehandling. Disse er billige at bygge og drive, men kræver store landområder. Designet varierer, men de fleste indarbejder to trin. Det første trin er analogt med primær spildevandsbehandling; spildevandsdammen er dyb nok til, at betingelserne næsten er helt anaerobe. Slam bundfældes i dette trin. I andet trin, der nogenlunde svarer til sekundær spildevandsbehandling, bliver spildevandet pumpet ind i en tilstødende dam eller et system af damme, der er lavvandede nok til af blive iltet gennem bølgeaktivitet. Fordi det er vanskeligt at opretholde aerobe betingelser for bakterievækst i damme med så meget organisk materiale, tilskyndes væksten af alger for at producere oxygen. Bakteriel aktivitet med nedbrydningen af organisk stof i affaldet, genererer kuldioxid. Alder, der anvender kuldioxid i deres fotosyntetiske metabolisme, vokser og producerer oxygen, hvilket igen fremme aktiviteten af aerobe mikroorganismer i spildevandet. Store mængder organisk materiale i form af alger ophobes, men dette er ikke et problem, fordi oxidationsdamme, i modsætning til en sø, allerede har en stor næringsstofbelastning.
Nogle små spildevandsproducerende områder, som for eksempel isolerede campingpladser og nogle motorvejsrestepladser, bruger en oxidationsgrøft til spildevandsbehandling. Ved denne fremgangsmåde, bliver en lille oval kanal med form som en racerbane, fyldt med spildevand. Et skovlhjul er fremdriftsmidlet i vandet og skaber en selvstændigt flydende strøm, iltet nok til at kunne oxidere affaldet.
Tertiær spildevandsbehandling
Som vi har set, behøver den primære og sekundære spildevandbehandling ikke at fjerne alt biologisk nedbrydeligt materiale. Mængder af organisk materiale der ikke er overdrevne, kan udledes til et strømmende vandløb uden at forårsage et alvorligt problem. Men presset fra en øget befolknings, kan til sidst øge mængden af affald, ud over vandmassernes kapacitet og der kan derfor være påkrævet yderligere behandling af spildevandet. Allerede nu, er primær og sekundær spildevandsbehandling utilstrækkelig i visse situationer, som når spildevandet udledes i relativt små vandløb eller rekreative vandområder. Nogle samfund har derfor udviklet tertiære rensningsanlæg.
Spildevandet fra den sekundære spildevandsbehandling, indeholder noget resterende BOF. Det indeholder også cirka 50% af det oprindelige nitrogen og 70% af de oprindelige phosphor, der i høj grad kan påvirke en søs økosystem. Tertiær spildevandsbehandling, er designet til at fjerne stort set alt BOF, nitrogen og phosphor. Tertiær spildevandsbehandling afhænger mindre af biologisk aktivitet end af fysiske og kemiske aktiviteter. Phosphor udfældes med kemikalier som kalk, alun og ferrichlorid. Filtre af fint sand og aktivt kul, fjerner små partikler og opløste kemikalier. Nitrogen omdannes til ammoniak og udledes i luften i stripningstårne. Nogle systemer tilskynder denitrificerende bakterier, til dannelse af flygtig nitrogengas. Endeligt, bliver det rensede vand kloreret.
Tertiær spildevandsbehandling, leverer vand der er egnet som drikkevand, men processen er ekstrem dyr. Sekundær spildevandsbehandling er billigere, men vand der har undergået denne behandling, indeholder stadig meget vandforurening. Der lægges i øjeblikket meget arbejde i, at designe sekundære spildevandsbehandlingsanlæg, hvor spildevandet kan anvendes til vanding af for eksempel afgrøder. Et sådan design, vil eliminere en kulde til vandforurening, give næringsstoffer til plantevækst og reducere efterspørgslen på de allerede knappe vandforsyninger. Jorden, som dette vand anvendes på, ville fungere som et overrislingsfilter til fjernelse af kemikalier og mikroorganismer, før vandet når ned til grundvandsspejlet eller overfladevandforsyninger.