ODDZIAŁYWANIE KAWITACJI HYDRODYNAMICZNEJ NA HIGIENIZACJ OSADU CZYNNEGO NADMIERNEGO

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE GIG GÓRNICTWO I RODOWISKO RESEARCH REPORTS MINING AND ENVIRONMENT Kwartalnik Quarterly 2/2012 Agnieszka Rusin, Alicja Machnicka ODDZIAŁYWANIE KAWITACJI HYDRODYNAMICZNEJ NA HIGIENIZACJ OSADU CZYNNEGO NADMIERNEGO Streszczenie W artykule przedstawiono działania zmierzajce do zmiany właciwoci oraz struktury osadu czynnego nadmiernego. W tym celu zastosowano dezintegracj osadu nadmiernego za pomoc kawitacji hydrodynamicznej. Powoduje ona destrukcj struktury kłaczków osadu i niszczenie komórek mikroorganizmów. Przeprowadzone badania miały pokaza moliwoci wykorzystania kawitacji hydrodynamicznej do higienizacji bakteriologicznej osadu czynnego nadmiernego. Skuteczno zastosowanej metody została potwierdzona przez oznaczenie liczby bakterii wyrosłych przed zastosowaniem i po zastosowaniu procesu higienizacji, na podłoach podstawowych i selektywnych oraz ich identyfikacji. Wykonane analizy potwierdziły moliwo zastosowania kawitacji hydrodynamicznej do higienizacji osadu. Stwierdzono znaczne zmniejszenie ogólnej liczby bakterii, zwłaszcza bakterii chorobotwórczych nalecych do rodziny Enterobacteriaceae oraz rodzaju Staphylococcus. Redukcja liczby bakterii Salmonella spp. przy cinieniu 12 bar w czasie 15 min dezintegracji wynosiła 62%, natomiast przy 30 min ju 92%. Po upływie 45 min zaobserwowano całkowit redukcj pałeczek. Hydrodynamic cavitation in hygienization surplus activated sludge Abstract Surplus activated sludge is treated for the purpose of changing its characteristics and structure. Disintegration of activated sludge was applied using hydrodynamic cavitation aimed at the destruction of sludge floc structure and destruction of microbial cells. The purpose of the conducted research was to demonstrate the possibility of the application of the hydrodynamic cavitation in the bacteriological hygienization of the excessive activated sludge. The effectiveness of the applied method has been confirmed by the number of bacteria grown before and after the application of the process of hygienization on the basic and selective bases. Subsequently bacteria cultures have been conducted identification. The performed analysis confirmed the possibility of the application of the hydrodynamic cavitation, as a significant decrease in the overall number of bacteria has been established, pathogenic bacteria belonging to the family Enterobacteriaceae and type species Staphylococcus. The reduction of Salmonella spp. bacteria with the used pressure of 12 bar and the time of disintegration of 30 minutes was 92%, however, with the time of 45 minutes was 100%. 1. WPROWADZENIE Osad czynny nadmierny to wynik biologicznego rozkładu zwizków organicznych i przyrostu mikroorganizmów. Stanowi go głównie komórki mikroorganizmów przyrastajcej masy osadu czynnego i zawiesiny ogólnej, pozostałej po sedymentacji wstpnej. W zalenoci od czasu przetrzymywania osadu w procesie biologicznym lskie rodowiskowe Studium Doktoranckie w Głównym Instytucie Górnictwa Akademia Techniczno-Humanistyczna, Instytut Ochrony i Inynierii rodowiska, Bielsko-Biała 105

2 Mining and Environment (tzw. wieku osadu), wytwarza si od 0,2 do 0,8 kg suchej masy osadu na 1 kg usunitego BZT 5 (Zielewicz-Madej, Fukas-Płonka 2006). Skład osadów wpływa na: wybór sposobu kondycjonowania, moliwo ostatecznego unieszkodliwiania osadu, ocen prawidłowoci przebiegu procesu stabilizacji, ocen stabilnoci osadu. Wród działa prowadzcych do kondycjonowania osadów ciekowych wymienia si midzy innymi procesy dezintegracji. Powoduj one destrukcj struktury kłaczków osadów oraz struktur osłaniajcych komórki drobnoustrojów, takich jak ciana komórkowa czy błona cytoplazmatyczna. Obecnie w literaturze s dostpne dane dotyczce wykorzystania biologicznych, mechanicznych, fizycznych, chemicznych oraz hybrydowych metod dezintegracji osadu (Zielewicz-Madej 2007). Jedn z takich metod jest mechaniczna dezintegracja wysokocinieniowa, w której jest wykorzystywane zjawisko kawitacji hydrodynamicznej. Kawitacja hydrodynamiczna (strumieniowa, przepływowa) zachodzi w wyniku spadku cinienia statycznego w cieczy poniej cinienia krytycznego. Spadek cinienia moe by wywołany przez miejscowy wzrost prdkoci przepływu lub zmiany warunków zewntrznych, np. cinienia (Wójs 2004; Mirota, Grbel, Machnicka 2011). Kawitacja hydrodynamiczna zauwaalna jest w przeweniach kanałów przepływowych oraz w miejscach zakrzywienia linii prdu i oderwania strumienia cieczy od opływanego ciała. Powstała w procesie techniki strumieniowej kawitacja cechuje si znacznym stopniem dezintegracji, a do całkowitej homogenizacji, a take inicjowaniem i przy- pieszaniem reakcji chemicznych (Szulyk-Cieplak, Fijałkowski, Ozonek 2005). W celu likwidacji bd ograniczenia organizmów patogennych, w osadach ciekowych (due skaenie osadów) stosuje si procesy higienizacji. Dopuszczalne wartoci zanieczyszcze sanitarnych w osadach wykorzystywanych przyrodniczo wskazuj na niewykrywalno w nich bakterii z rodzaju Salmonella (Staczyk-Mazanek, Bie 2001). Celem przeprowadzonych bada była próba wykazania wpływu kawitacji hydrodynamicznej na stan sanitarny osadu czynnego nadmiernego. 2. MATERIAŁ I METODA BADA Wykorzystywany w badaniach materiał dowiadczalny pochodził z oczyszczalni cieków, która stosuje zaawansowane procesy biologicznego oczyszczania. Polegaj one na symultanicznym usuwaniu zwizków organicznych oraz biogenów, azotu i fosforu. Oczyszczalnia posiada wydajno 90 tys. m 3 /d, natomiast w okresie intensywnych opadów jest dostosowana do oczyszczania zwikszonej iloci cieków, nawet w granicach 124 tys. m 3 /d. Próbki osadu nadmiernego pobierano czerpakiem do szklanych, zamykanych pojemników, które wczeniej poddano procesowi sterylizacji w autoklawie (1,5 kpa, 106

3 Górnictwo i rodowisko temperatura 121 C). Nastpnie materiał, w cigu 30 min, dostarczano do laboratorium, gdzie pobrane próby wysiewano na podłoa hodowlane 1. Proces dezintegracji osadu nadmiernego został przeprowadzony przy wykorzystaniu stanowiska badawczego, które składa si ze zbiornika osadu czynnego nadmiernego, dyszy kawitacyjnej oraz pompy limakowej o cinieniu 12 bar (rys. 1). Czas trwania dezintegracji próbki osadu o objtoci 7 dm 3 wynosił kolejno: 15, 30 i 45 min, przy wydajnoci pompy Q = 0,5 m 3 /h. recyrkulacja osad czynny zbiornik dysza kawitacyjna pompa limakowa D!# #!#! # 6!!!$!R!! Oznaczenie liczby bakterii przeprowadzono metod hodowlan. Liczebno bakterii w 1 cm 3 osadu czynnego nadmiernego obliczono, wykorzystujc PN-EN ISO 6222:2004. Ze wzgldu na spodziewany stopie zanieczyszczenia pobranych próbek (dua ilo bakterii), przed posiewem rozcieczono badany materiał od 10-1 do 10-10, wykorzystujc roztwór soli fizjologicznej. Przedstawiona graficznie liczebno bakterii w 1 cm 3 osadu nadmiernego przed i po procesie higienizacji hydrodynamicznej jest redni arytmetyczn z piciu serii badawczych. W kadej z tych serii wykonano dziesi powtórze oznacze iloci drobnoustrojów. W przeprowadzonych badaniach wykorzystano agar odywczy (wzbogacony) Mac Conkeya, SS, Chapmana, który stanowił podłoe hodowlane. Zastosowano metod posiewu powierzchniowego ez oraz płytek tartych. Inkubacj prowadzono w temperaturze 37 C w czasie 24 godzin. Przynaleno taksonomiczn gatunków bakterii okrelono na podstawie kryteriów ustalonych przez Bergey s Manual Trust (Holt i in. 1996) oraz wykorzystujc testy API 20E firmy Bio Merieux. Ponadto przy identyfikacji uwzgldniono cechy morfologiczne kolonii wyrosłych na zastosowanych podłoach. 1 Wysiewu dokonano zarówno bez poddania próbek procesowi kawitacji hydrodynamicznej, jak i po tym procesie. 107

4 3. DYSKUSJA WYNIKÓW BADA Mining and Environment Celem przeprowadzonych bada było wykazanie moliwoci wykorzystania kawitacji hydrodynamicznej do higienizacji osadu czynnego nadmiernego. Wyniki bada wskazuj, e proces kawitacji hydrodynamicznej doprowadza do destrukcji struktury osadu czynnego nadmiernego. Wywołanie procesu kawitacji w fazie pocztkowej powodowało niewielkie mechaniczne uszkodzenie struktury kłaczków, jednak w miar trwania procesu, obserwowano rozrywanie drobnoustrojów. W konsekwencji dochodziło do całkowitej homogenizacji osadu nadmiernego (fot. 1 2). F! ###$.1 D$!R!1! )3#!#! #! V 4$),14$<4$9,.1 )2!$!R!!!V 4 ),14 <4 9, 108

5 Górnictwo i rodowisko Proces destrukcji osadu czynnego nadmiernego pod wpływem kawitacji hydrodynamicznej powodował zmniejszenie liczby bakterii. Higienizacja osadu wzrastała wraz z wydłueniem czasu dezintegracji. Ogólna liczba bakterii w 1 cm 3 osadu nadmiernego poddanego kawitacji hydrodynamicznej uległa redukcji o 80% po 45 min procesu (rys. 2). )F% 11) <!$ $$! ## )A1 1) <!$!!1 $!! ##! Zjawisko kawitacji miało destrukcyjny wpływ na komórki bakteryjne, dziki czemu ocena sanitarna osadów po dezintegracji uległa poprawie. Liczba bakterii z rodzaju Salmonella po 15 min higienizacji hydrodynamicznej zmniejszyła si o 66%, po 30 min o 92%, natomiast po 45 min uległa całkowitej redukcji (rys. 3). Kawitacja hydrodynamiczna spowodowała równie zmniejszenie o 96% iloci pałeczek Shigella spp. (rys. 3). * X 1$+ ) <!$ $ $! ## *1 C!$1! ) <!$!!1 $!! ##! 109

6 Mining and Environment Higienizacja hydrodynamiczna spowodowała w osadzie nadmiernym spadek liczebnoci pałeczek z rodziny Enterobacteriaceae (rys. 4). 0X 1$+ #) <!$ $ $! ## 01 C!$1!C$!R!CR) <!$!!1 $!! ##! Liczba bakterii laktozoujemnych w 1 cm 3 osadu uległa redukcji z do czyli o 92% przy zastosowaniu cinienia 12 bar. Liczebno pałeczek laktozododatnich, do których naley E. coli, zmniejszyła si z do około czyli o 93% (rys. 4). Kawitacja hydrodynamiczna spowodowała take redukcj patogennych dla człowieka przedstawicieli bakterii rodzaju Staphylococcus. Liczba ziarniaków mannitolododatnich po 45 min dezintegracji zmniejszyła si o 93%, natomiast liczebno ziarniaków mannitoloujemnych o 92% (rys. 5). 7 X 11!$$?) <!$ $$! ## 7A1!$$?1) <!$!!1 $!! ##! Efektem higienizacji osadu nadmiernego, przeprowadzonej metod kawitacji hydrodynamicznej, była znaczca redukcja bakterii. 110

7 Górnictwo i rodowisko 3. WNIOSKI 1. Metoda dezintegracji za pomoc kawitacji hydrodynamicznej przyczyniła si do zmniejszenia ogólnej liczebnoci bakterii (o 80%), a tym samym do higienizacji osadu czynnego nadmiernego. 2. Najskuteczniejsze efekty higienizacji osignito po 45 min trwania procesu. W tym czasie liczba bakterii z rodzaju Salmonella uległa całkowitej redukcji. 3. Kawitacja hydrodynamiczna spowodowała zmniejszenie liczby pałeczek Shigella spp. o 96%. 4. W procesie dezintegracji kawitacyjnej redukcji uległy patogenne dla człowieka bakterie z rodzaju Staphylococcus. Ziarniaki mannitolododatnie zostały zredukowane o 93%, natomiast ziarniaki mannitoloujemne o 92%. 5. Liczebno pałeczek laktozododatnich zmalała o 92%, a laktozoujemnych o 93%. Literatura 1. Holt J.G., Krieg N.R., Staley J.T., Williams S.T. (1996): Bergey s Manual of Determinative Bacteriology, 9 th. Tokyo, Williams&Wilkins. 2. Mirota K., Grbel K., Machnicka A. (2011): Badania i ocena moliwoci stosowania zwki kawitacyjnej do intensyfikacji procesu fermentacji osadów ciekowych. Ochrona rodowiska nr 33 (1), s PN-EN ISO 6222:2004 Jako wody Oznaczanie ilociowe mikroorganizmów zdolnych do wzrostu Okrelanie ogólnej liczby kolonii metod posiewu na agarze odywczym. 4. Staczyk-Mazanek E., Bie J.B. (2001): Sanitarne właciwoci gleb nawoonych osadami ciekowymi. W: Osady ciekowe problem aktualny. Praca zbiorowa pod red. J.B. Bienia. Czstochowa Ustro, Wydaw. Politechniki Czstochowskiej, s Szulyk-Cieplak J., Fijałkowski S., Ozonek J. (2005): Wykorzystanie zjawiska kawitacji hydrodynamicznej w technologii oczyszczania wody i cieków. Materiały II Kongresu In- ynierii rodowiska, t. 1. Monografie Komitetu Inynierii rodowiska PAN, vol. 33, s Wójs K. (2007): Kawitacja w cieczach o rónych właciwociach reologicznych. Wrocław, Oficyna Wydaw. Politechniki Wrocławskiej. 7. Zielewicz E. (2007): Dezintegracja ultradwikowa osadu nadmiernego w pozyskiwaniu lotnych kwasów tłuszczowych. Zeszyty Naukowe Politechniki lskiej. Inynieria rodowiska z. 58, s Zielewicz-Madej E., Fukas-Płonka Ł. (2006): Nowoczesny cig technologiczny przeróbki osadów ciekowych nadmiernych. Gospodarka Odpadami Komunalnymi, t. 2, Koszalin, s