Wykład 12 Biologiczne oczyszczanie ścieków i gazów odlotowych

Transkrypt

1 Parametry technologiczne ścieków ChZT - chemiczne zapotrzebowanie na tlen Ilość tlenu potrzebna do całkowitego utlenienia próbki do CO 2 i H 2 O metodami chemicznymi Oznaczenie: Próbka gotowane jest 2 h w roztworze zawierającym określoną ilość K 2 Cr 2 O 7 w stężonym kwasie siarkowym, w obecności Ag 2 SO 4 i HgSO 4. Pozostały dichromian jest miareczkowany. BZT biologiczne zapotrzebowanie na tlen Ilość tlenu zużywana do utleniania organicznych składników próbki przez drobnoustroje w niej zawarte. Oznaczenie wartości BZT 5 : Próbka inkubowana jest w zamkniętej szczelnie kolbie, w temperaturze 20 C, przez 5 dni. Następnie oznacza się ilość zużytego tlenu. Inne parametry: ogólny węgiel organiczny (OWO), azot ogólny (TKN), azot organiczny, fosfor ogólny, osad ogólny, osad zawieszony

2 Maksymalne zużycie tlenu Konsekwencje postępującego zanieczyszczenia rzek ściekami

3 ... The River Thames is the cleanest river in the world that flows through a major city. This is a major feat considering that fifty years ago the river was so polluted that it was declared biologically dead...

4 From 1830 to 1860 tens of thousands of people died of cholera as a result of the pollution in the Thames. Sewage was being discharged directly into the Thames. Despite the foul smell, people continued to wash, bathe and drink from the river. In 1855, a letter from Michael Faraday in The Times newspaper, London, described the polluted state of the River Thames he had observed on a boat trip: "The whole of the river was an opaque pale brown fluid.... surely the river which flows for so many miles through London ought not to be allowed to become a fermenting sewer." A few years later the curtains in the Houses of Parliament had to be soaked in lime to stop the odours (bad smells) from preventing government from carrying on. In 1878 the pleasure steamship Princess Alice sunk in a river collision. Most of the 600 or so passengers who died did not die from drowning, they died because of the pollution in the river.

5 Charakterystyka ścieków komunalnych Typowy skład ścieków komunalnych Parametr Wartość (mg/dm 3 ) Osad ogólny Osad zawieszony OWO ChZT BZT 5 Azot ogólny Azot organiczny Amoniak Azotany(III) Azotany(V) Fosfor ogólny

6 Etapy procesu oczyszczania ścieków

7 Konstrukcja filtru zraszanego do oczyszczania ścieków

8 Oczyszczanie ścieków z użyciem osadu czynnego Klasyczny układ bioreaktora do oczyszczania ścieków z osadem czynnym jest przykładem chemostatu z zawracaniem części populacji komórek. Zasada procesu: Ścieki przepływają wzdłuż bioreaktora zawierającego mieszaną populację drobnoustrojów, które wykorzystują związki organiczne zawarte w ściekach jako źródło węgla. materia organiczna + drobnoustroje + O 2 przyrost biomasy + CO 2 Odciek z bioreaktora przepływa do odstojnika, gdzie następuje oddzielenie biomasy i nie zdegradowanego osadu. Około 20% biomasy jest zawracanej na początek bioreaktora.

9 Mikroorganizmy w osadzie czynnym 1. Bakterie: od komórek/ml do 1, komórek/ml. Dominujące rodzaje: Pseudomonas, Bacillus, Micrococcus, Alcaligenes, Moraxella, Flavobacterium; bakterie nitryfikacyjne Nitrosomonas, Nitrobacter; Thiobacillus 2. Pierwotniaki orzęski (osiadłe, pełzające, wiciowe, zarodziowe, wolnopływające), wrotki Cecha charakterystyczna: wzrost w postaci kłaczków (sflokulowany) Mikroskopowy obraz kłaczka osadu czynnego

10 Biowieża

11 Technologia wirujących biokontaktorów

12 Reaktor ze złożem fluidalnym

13 Głębokoszybowy proces oczyszczania ścieków z zastosowaniem reaktora typu air-lift

14 Schemat reaktora membranowego do oczyszczania ścieków

15 Technologia ciśnieniowa Unox

16 Schemat dwustopniowego oczyszczania ścieków, umożliwiającego przeprowadzenie nitryfikacji i denitryfikacji

17 Metabolizm azotu amonowego i azotanów w bakteriach Nitryfikacja I. Utlenianie azotu amonowego H NH 4 + 3O 2 2NO H 2 O Bakterie z rodzajów: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosocystis. Reakcja jest dwuetapowa i katalizowana kolejno przez monooksygenazę amonową oraz oksydoreduktazę hydroksyloaminową II. Utlenianie azotanów(iii) do azotanów (V) NO NO 3 O 2 Bakterie z rodzajów: Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira

18 Denitryfikacja Azotany(V) w środowisku wodnym mogą być redukowane do: (a) azotu amonowego (szlak asymilacyjny, warunki tlenowe) (b) tlenków azotu i azotu cząsteczkowego (szlak dysymilacyjny, warunki anoksyczne). Proces ten nazywany jest denitryfikacją W obu szlakach I etapem jest redukcja azotanów(v) do azotanów(iii) H 2 O NO 3 - H + NO 2 - W szlaku asymilacyjnym reakcję katalizuje reduktaza azotanowa A, natomiast w szlaku dysymilacyjnym reduktaza azotanowa B.

19 II etapem szlaku dysymilacyjnego jest redukcja azotanów(iii) do N e - N H 2 O NO 2 - H + Reakcja przebiega w warunkach beztlenowych i jest trójstopniowa. NO 2 - reduktaza azotynowa reduktaza tlenku azotu reduktaza tlenku diazotu NO N 2 O N 2 Donorami elektronów w poszczególnych etapach są związki organiczne, m.in. metanol. Sumaryczna reakcja ma wówczas postać: - 2 NO 2 + CH 3 OH + CO 2 + H 2 O + 2 OH - N 2 Zdolność do prowadzenia reakcji denitryfikacji przejawiają bakterie: Pseudomonas, Alcaligenes, Achromobacter, Arthrobacter, Flavobacterium, Moraxella, Chromobacterium, Bacillus, Hyphomicrobium

20 Wewnątrzkomórkowa kumulacja polifosforanów Niektóre gatunki drobnoustrojów wykazują zdolność zwiększonego pobierania fosforanów ze środowiska i ich magazynowania w komórkach w postaci polifosforanów. (Pi)n rozpuszczalne polifosfataza (Pi)n nierozpuszczalne (Pi)n + ATP (Pi)n+1 + ADP Pi Pi Schemat reakcji katalizowanej przez kinazę polifosforanową błona komórkowa ADP kinaza polifosforanowa Mg(II) kwasy nukleinowe ATP Uproszczony schemat metabolizmu fosforu w Aeromonas aerogenes Przedstawiony mechanizm akumulacji polifosforanów zostaje uruchamiany w warunkach niedoboru azotu lub siarki. Zostaje wówczas zahamowany wzrost komórek i rośnie stosunek ATP/ADP

21 Przedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA Nowe możliwości eliminacji amoniaku i azotanów Bakterie Planctomycetes przeprowadzają reakcję: NH 4+ + NO 2 - N 2 + 2H 2 O Technologia Anammox (anaerobowe utlenianie amoniaku) Zasada metody: strumień ścieków zawierających związki amonowe dzieli się na dwa strumienie. Zawartość jednego ze strumieni jest poddawana nitryfikacji /utlenienie amonu do azotanów(iii)/. Strumień ten jest kierowany do reaktora anaerobowego, gdzie w wyniku połączenia z drugim strumieniem i aktywności metabolicznej bakterii Planctomycetes zachodzi reakcja utleniania amoniaku. Zalety: znacznie mniejsze zapotrzebowanie na napowietrzanie, brak konieczności dodawania materii organicznej, redukcja osadu odpadowego

22 Sposoby utylizacji osadów nadmiernych - składowanie na wysypiskach - spalanie - kompostowanie - wykorzystanie w rolnictwie - fermentacja anaerobowa

23 Sposoby składowania osadów nadmiernych

24 Schemat spalarni osadów nadmiernych

25 Przekrój pryzmy kompostowej

26

27 Lotne zanieczyszczenia mogące występować w komunalnych i przemysłowych gazach odlotowych: VOC (lotne związki organiczne); CFC (chlorofluorowęglowodory) H 2 S; SO 2 ; NO x ; NH 3 ; Metody eliminacji: VOC i CFC spalarnie, adsorpcja na węglu aktywnym; SO 2 i NO x absorbcja w alkalicznych roztworach wodnych i utylizacja powstających soli; H 2 S i NH 3 utlenianie do SO 2 i NO x, potem j.w. Żadna z tych metod nie jest uniwersalna i nie prowadzi do całkowitej eliminacji zanieczyszczeń, a niektóre skutkują powstawaniem nowych zanieczyszczeń. Bioremediacja gazów odlotowych Założenie: zanieczyszczone powietrze wprowadza się do pojemnika zawierającego wodę (roztwór wodny). Gazy rozpuszczone w wodzie zostają poddane działaniu drobnoustrojów, które dokonują całkowitej biotransformacji do związków nieuciążliwych dla środowiska

28 Technologie biologicznego oczyszczania gazów 1. Biofiltr glebowy/kompostowy 2. Biofiltr kolumnowy 3. Biofiltr zraszany 4. Bioskrubery 5. Bioreaktory membranowe

29 Schemat polowej instalacji biofiltrującej

30 Biofiltr kolumnowy Materiały wypełnienia: torf, kompost, ścinki kory, gleba

31 Schemat biofiltru zraszanego

32 Główny problem użytkowania biofiltrów to zakwaszenie złoża filtrującego (H 2 S H 2 SO 4 ; NH 3 HNO 3 ; chloropochodne organiczne HCl), co czyni je niekorzystnym dla wzrostu bakterii. Możliwość zapobiegania zakwaszaniu kontrola ph poprzez dodawanie CaCO 3 (przykładowo 25 kg węglanu wapnia na m 3 złoża pozwala na utrzymanie pożądanego ph przez 2 miesiące. Inne wady biofilrów: duża powierzchnia kontaktu, generowanie nieprzyjemnych zapachów. Zalety: - niskie koszty; możliwość eliminacji zanieczyszczeń słabo rozpuszczalnych w wodzie i obecnych w niewielkich stężeniach*; możliwość zastosowania odpowiednio dobranych szczepów bakteryjnych do eliminacji specyficznych zanieczyszczeń. *Spalanie gazów zawierających 100 ml VOC/m 3 wymaga dodania 50 dm 3 metanu na m 3 gazu. W biofiltrze ten sam efekt bez dodatków.

33 Schemat bioskrubera do oczyszczania gazów odlotowych

34 Bioreaktory membranowe dla oczyszczania gazów a) z biofilmem drobnoustrojów osadzonym na membranie b) z zawiesiną drobnoustrojów

35 Usuwanie tlenków azotu i siarki z gazów odlotowych Etapy: 1. Absorpcja w skruberze zawierającym roztwór NaHCO 3 i Fe(II)EDTA; 2. Biotransformacja tlenków azotu do N 2 ; 3. Bioredukcja siarczanów(iv) do siarczków 4. Bioutlenienie do siarki elementarnej 5. Oddzielenie siarki