PL B1. Sposób ograniczania rozwoju bakterii nitkowatych w osadzie czynnym oraz zastosowanie wrotków w zapobieganiu jego puchnięciu

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. C02F 3/34 ( ) C02F 11/02 ( ) C02F 3/12 ( ) C12N 1/10 ( ) C12R 1/90 ( ) C12R 1/01 ( ) (54) Sposób ograniczania rozwoju bakterii nitkowatych w osadzie czynnym oraz zastosowanie wrotków w zapobieganiu jego puchnięciu (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 10/09 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 08/14 (73) Uprawniony z patentu: UNIWERSYTET JAGIELLOŃSKI W KRAKOWIE, Kraków, PL (72) Twórca(y) wynalazku: AGNIESZKA PAJDAK-STÓS, Kraków, PL EDYTA FIAŁKOWSKA, Kraków, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Rafał Witek

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotami wynalazku są sposób ograniczania rozwoju bakterii nitkowatych naturalnie występujących w osadzie czynnym oraz zastosowanie wrotków w zapobieganiu procesowi puchnięcia tego osadu. Bardziej szczegółowo wynalazek dotyczy biologicznego sposobu ograniczania rozwoju bakterii nitkowatych Microthrix parvicella, i N. limicola typ 021N powodujących problemy eksploatacyjne w oczyszczalniach ścieków poprzez wykorzystanie organizmów - wrotków - naturalnie występujących w osadzie czynnym. Puchnięcie osadu jest jednym z najbardziej powszechnych a jednocześnie najpoważniejszych problemów eksploatacyjnych w oczyszczalniach ścieków na całym świecie. Dotychczas stosowane metody zwalczania bakterii nitkowatych polegają przede wszystkim na dozowaniu środków chemicznych, co jest nie tylko kosztowne, ale może także niekorzystnie wpływać na środowisko naturalne. Obecnie największe problemy w większości polskich i europejskich oczyszczalni ścieków związane są z rozwojem bakterii nitkowatej Microthrix parvicella. W skład osadu czynnego wchodzą przede wszystkim bakterie, pierwotniaki oraz przedstawiciele metazoa. Najbardziej istotną rolę w usuwaniu zanieczyszczeń odgrywają bakterie, w szczególności heterotroficzne, nitryfikujące i denitryfikujące, poly-p oraz akumulujące glikogen. Pomimo, że od wielu lat stosuje się osad czynny w procesie oczyszczania ścieków i metoda ta jest stosowana na skalę światową, nadal pozostaje problemem pienienie i puchnięcie związane z rozwojem bakterii nitkowatych. Badania Eikelboom a (1975, 1981) prowadzone w latach siedemdziesiątych XX w. wykazały, że w ściekach gospodarstwa domowego występuje około 30 rodzajów organizmów nitkowatych. Dalsze badania prowadzone na skalę światową wykazały, że przynajmniej 10 rodzajów bakterii nitkowatych może być odpowiedzialnych za puchnięcie osadów. Stwierdzono, że najczęściej występującymi bakteriami powodującymi puchnięcie osadów w Europie, Południowej Afryce i Australii są Microthrix parvicella (Blackbeard et al. 1986, Kristensen et al. 1994, Seviour et al. 1994, Eikelboom et al. 1998, Wanner et al. 1998), natomiast w Stanach Zjednoczonych najczęściej obserwowanymi są bakterie typu 1701 i 021N (Seviour & Blackall 1999). W związku z problemem puchnięcia i pienienia osadów rozwijano różne metody, które umożliwiłyby ograniczenie tego problemu. Niektóre z tych sposobów są niespecyficzne i zakładają poprawę właściwości sedymentacyjnych ścieków, co jednak nie wyeliminowało problemów związanych z puchnięciem osadów. Do najczęściej stosowanych metod należy dodatek syntetycznych polimerów organicznych, nieorganicznych koagulantów oraz flokulantów, takich jak sole aluminium i żelaza, talku, chloru i nadtlenku wodoru. Jednakże wszystkie te metody obarczone są pewnymi wadami, takimi jak wysokie koszty, zwiększenie masy osadu, niekorzystny wpływ na proces nitryfikacji (Jenkins et al. 2004) i nie zawsze są skuteczne. Seka i współautorzy (2001) wykazali, że bakterie typu 021N, pochodzące z dwóch różnych oczyszczalni, zidentyfikowane poprzez fluorescencyjną hybrydyzację in situ, wykazały różną podatność względem tych samych związków chemicznych - chloru. W jednym przypadku typ 021N okazał się podatny na działanie chloru, a w drugim odporny na jego działanie. Innymi sposobami mającymi na celu ograniczenie problemów związanych z puchnięciem osadów było stosowanie różnego typu selektorów (Tandoi et al. 2006). W wielu przypadkach, wprowadzone selektory rozwiązują problem puchnięcia osadów, jednak nie we wszystkich, zwłaszcza w przypadku gdy mamy do czynienia z Microthrix parvicella (Jenkins et al. 2004). Stosunkowo niewiele uwagi poświęcono kwestiom dotyczącym wyeliminowaniu bakterii nitkowatych z wykorzystaniem ich naturalnych wrogów występujących w osadzie czynnym. Inamori i współautorzy (1991) wykazali, że dwa gatunki orzęsków, które wyposażone są w kosz cytofaryngalny zdolne są do odżywiania się bakteriami nitkowatymi typu 021N oraz Sphaerotilus natans. Autorzy sugerują, że puchnięcie może być wyeliminowane całkiem szybko jeśli zagęszczenie orzęsków będzie wystarczająco wysokie. Także Drzewicki i Hul (1997), w doświadczeniach przeprowadzanych w oczyszczalni ścieków wykazali, że orzęski Trithigmostoma cucullus, jeśli były obecne w wysokich zagęszczeniach, były w stanie w znaczący sposób ograniczyć zawartość bakterii Typu 021N. W opisach patentowych US (opubl ) oraz US (opubl ) przedstawiono sposób kontroli puchnięcia osadu w tlenowym procesie oczyszczania ścieków, poprzez kontrolę metabolizmu związków azotu i ciągłe dodawanie bakterii nienitkowatych. W opisie patentowym EP (opubl ) opisano biologiczny sposób oczyszczania ścieków. Rozwiązanie dotyczy tlenowego rozkładu ścieków płynnych, w których część z tych odpadów i/lub mieszaniny poddawanej rozkładowi jest rozdrabniana tak by zredukować średni rozmiar

3 PL B1 3 cząstek biomasy i innych cząstek stałych w mieszaninie do rozmiarów mniejszych niż 10 mikrometrów, dla przykładu używając kawitacji destrukcyjnej o spadku ciśnienia zawartym pomiędzy 2 a 7,5 Bara. Rozdrabnianie prowadzi do powstania cząstek, którymi preferencyjnie odżywiają się organizmy drapieżne obecne w fazie rozkładu ścieków, tak że bakterie oraz cząstki biomasy stanowią dla nich pożywienie i w ten sposób redukują ilość biomasy i cząstek stałych wytwarzanych na etapie rozkładu. W opisie patentowym CH (opubl ) przedstawiono proces biochemicznego oczyszczania zanieczyszczonej wody zawierającej reszty organiczne, w których rozwijają się bakterie nitkowate i/lub przyczyniają się do puchnięcia osadu. W zgłoszeniu patentowym CN (opubl ) przedstawiono energooszczędny sposób uzdatniania ścieków, w których obserwowany jest rozwój bakterii, przy niskim stężeniu rozpuszczonego tlenu. W rozwiązaniu tym biologiczne uzdatnianie ścieków obejmuje etapy: napowietrzenie ścieków w zbiorniku napowietrzającym, zawierającym płynną mieszaninę osadu czynnego z rozpuszczonym tlenem o stężeniu 0,4-0,8 mg/l; składowanie w drugim zbiorniku przejściowym w celu rozdzielenia osadu od wody, odprowadzenie supernatantu, zawrócenie części osadu do zbiornika napowietrzającego w ilości % i odprowadzenie osadu nadmiernego; i poddanie stagnacji pozostałego osadu czynnego w drugim zbiorniku osadowym przez nie mniej niż 2 i pół godziny, przy stężeniu osadu czynnego mg/l, lub mniej niż 4 godziny, jeśli stężenie osadu czynnego wynosi mg/l. Rozwiązanie to umożliwia utylizację bakterii nitkowatych w celu podniesienia wydajności procesu oczyszczania. W zgłoszeniu patentowym JP (opubl ) przedstawiono czynnik zapobiegający puchnięciu osadu czynnego. Czynnik ten jest mieszaniną składników opisaną ogólnym wzorem R<SB>2</SB>-Y ze składnikiem zawierającym przynajmniej grupę kationową. W związku o wzorze R<SB>2</SB> znajduje się nienasycone wiązanie reszty węglowodorowej w cząsteczkach oraz pochodne i Y wyrażone przez grupę -OSO<SB>3</SB>M działające na bakterie powodujące puchnięcie, gdzie M stanowi wodór bądź metal. W zgłoszeniu patentowym JP (opubl ) opisano hamowanie puchnięcia wywołanego przez bakterie nitkowate. W reaktorze służącym do obróbki biologicznej ścieków organicznych poprzez kontakt z osadem czynnym, szlam z osadu czynnego zostaje przepuszczony przez zbiornik wypełniony substancją zawierającą kwas trichloroizocyjanurowy tak by szlam wszedł w kontakt z warstwą kwasu trichloroizocyjanurowego zanim zostanie zawrócony do reaktora w celu zahamowania procesu pęcznienia. W zgłoszeniu patentowym JP (opubl ) opisano sposób oczyszczania ścieków. Kiedy napowietrzanie zostaje zatrzymane, czas odpływu ścieku oczyszczonego i odprowadzania osadu nadmiernego są ustalane poprzez pomiar wartości uzyskiwanej z ciągłych pomiarów prędkości sedymentacji osadu dokonywanych za pośrednictwem czujnika w reaktorze biologicznym. Parametry procesu są określane na podstawie tempa sedymentacji. Kiedy proces przebiega normalnie, jest sterowany automatycznie. Kiedy proces jest zakłócony i wzrasta zagęszczenie osadu (MLSS) proces jest sterowany automatycznie a ilość usuwanego osadu wzrasta. Kiedy proces jest zakłócony i zostaje zarejestrowane puchnięcie osadu następuje zatrzymanie sterowania automatycznego, uruchomiony zostaje alarm i proces jest sterowany ręcznie. W opisie patentowym JP (opubl ) przedstawiono sposób uaktywniania osadu czynnego. W metodzie tej aktywacja osadu polega na kontakcie medium dla aktywowanych ścieków z czynnikiem kontroli pęcznienia przez godzin w komorze mieszania. Otrzymany w ten sposób materiał jest przepuszczany do miejsca, w którym jest mierzony czas retencji w zbiorniku napowietrzania np. w miejscu wpływu surowych ścieków. Następnie przynajmniej jeden rodzaj zawróconych ścieków, ściek surowy, woda w zbiorniku napowietrzającym i napowietrzona woda oczyszczona są wykorzystywane jako medium aktywujące ścieki. W opisie patentowym JP (opubl ) opisano sposób kontroli procesu pęcznienia. Badano proteazę pochodzenia mikrobowego, działającą w środowisku obojętnym lub zasadowym. Proteaza ta jest dodawana do zbiornika osadu czynnego w celu przeprowadzenia selektywnej bakteriolizy bez zakłócania procesu namnażania pożytecznych mikroorganizmów obecnych w ściekach, kontrolę pęcznienia oraz poprawę sedymentacji osadu czynnego. W tym czasie używa się w ściekach proteazy w przykładowym stężeniu 100 ppm ppm, w celu kontrolowania procesu pęcznienia. Proteaza może mieć zastosowanie przy bakteriolizie w odniesieniu do bakterii z grupy spherocillus. Można stosować proces dodatku proteazy jako: bezpośredniego dodatku do osadu czynnego, mieszania jej z zawróconym osadem lub ściekami surowymi, etc.

4 4 PL B1 W opisie patentowym JP (opubl ) przedstawiono sposób kontroli pęcznienia wywołanego przez bakterie nitkowate. Oddzielona ciecz jest mieszana z osadem czynnym i napowietrzana w zbiorniku napowietrzającym. Ścieki są oddzielane w zbiorniku separacji faz stałej i ciekłej i oddzielony płyn jest usuwany jako woda uzdatniona. Część rozdzielonych ścieków jest zawracana do zbiornika napowietrzającego jako osad recyrkulowany zaś reszta jest usuwana jako osad nadmierny. Mogą również zdarzyć się sytuacje, w których bakterie nitkowate, takie jak Sphaerotilus ulegają proliferacji w osadzie czynnym i inicjują proces pęcznienia. Kationowy bądź amfoteryczny surfaktant, posiadający grupy od pierwszo- do czwartorzędowych grup aminowych jest dodawany w trakcie procesu uzdatniania osadu czynnego, by zapobiec procesom takim jak pęcznienie. W ten sposób proces pęcznienia ścieków jest kontrolowany dzięki zjawisku, w którym bakterie nitkowate w osadzie czynnym ulegają skurczeniu w otoczce bądź z niej wypadają i rozpadają się. W opisie patentowym JP (opubl ) opisano flokulant bakteryjny oraz sposób kontroli pęcznienia osadów. Poprzez stymulowanie wzrostu bakterii z rodzajów Rhodococcus lub Nocardia i obecność chlorku wapnia w osadzie czynnym można zapobiegać puchnięciu osadu. Szczepami reprezentatywnymi dla bakterii Rhodococcus lub Nocardia wytwarzających flokulant są bakterie Rhodococcus erythropolice KR-256-2, FERM-P No W zgłoszeniu patentowym WO (opubl ) opisano sposób hamowania rozwoju bakterii nitkowatych. Sposób obejmuje dodanie do systemu wodnego mieszaniny aktywnych biologicznie surfaktantów i odczynników aktywnych w odniesieniu do dwuwartościowych metali. Preferowanymi biologicznie aktywnymi surfaktantami są etoksyle alkilowe. Preferowanymi odczynnikami aktywnymi w odniesieniu do dwuwartościowych metali - czynniki kontrolne wapnia i/lub magnezu takie jak kwas poliepoksybursztynowy, kwas hydroksyetylidenodifosfonowy oraz kwas etylenoditetraoctowy. W opisie patentowym JPl (opubl ) opisano ulepszony system oczyszczania ścieków zawierających pektyny. Bakterie charakteryzujące się silnymi właściwościami rozkładającymi są wybrane spośród bakterii rozkładających pektyny, należących do bakterii nitkowatych i są hodowane na pożywce zawierającej pektynę. Napowietrzanie supernatantu dodawanego do pożywki jest następnie powtarzane w celu generowania bakterii rozkładających pektyny. Gdy pektyna zawarta w wodzie ściekowej jest wstępnie rozłożona przez bakterie rozkładające pektyny, zostaje ona dalej rozłożona całkowicie w procesie oczyszczania ścieków. W wyniku tych reakcji zapobiega się omyłkowej adsorpcji bądź intruzji wysokopolimerowej pektyny do osadu czynnego oraz inkluzji takiego osadu do reaktora. W ten sposób zapobiega się obniżeniu aktywności osadów w dekompozycji BOD a koncentracja COD w ścieku jest w wystarczającym stopniu obniżona. W zgłoszeniu patentowym CN (opubl ) opisano proces oczyszczania ścieków oraz wody ściekowej. Proces ten obejmuje procedurę usuwania osadów ze ścieków, obróbkę beztlenową, napowietrzanie i sedymentację. Rozwiązanie to obejmuje dwie warstwy sit - górną i dolną, umożliwiające przeprowadzenie filtracji w celu usunięcia osadów, obróbka beztlenowa przeprowadzana jest w basenie beztlenowym, i wymaga dodatku i namnożenia bakterii nitkowatych i fotosyntetyzujących w celu rozkładu materii organicznej w wodzie. Proces napowietrzania przebiega w basenie napowietrzającym i wymaga dozowania i namnażania zoogloea oraz bakterii fotosyntetyzujących, głowica napowietrzająca umieszczona jest w wodzie w celu dostarczania tlenu, gazu niezbędnego do rozkładania materii organicznej. W opisie patentowym JP (opubl ) przedstawiono sposób zapobiegania i usuwania bakterii nitkowatych przy zastosowaniu enzymu bakteriolitycznego. W celu osiągnięcia szybkiego skutku przeciwdziałającego puchnięciu ścieków aktywnych wywołanemu przez bakterie nitkowate bez zahamowania rozwoju pożytecznych mikroorganizmów oraz bez niepożądanych skutków dla środowiska dodaje się subtilisyny o działaniu bakteriolitycznym na bakterie nitkowate w zbiorniku osadu czynnego. Subtilisyna dodawana jest w zbiorniku osadu czynnego, w ilościach 10 ppm do ppm, korzystnie 100 ppm do 1000 ppm. Subtilisyna dodawana jest bezpośrednio do zbiornika osadu czynnego lub w trakcie mieszania ze ściekami zawróconymi bądź w trakcie wpływania ścieków do zbiornika. Poprzez dodatek subtilisyny do osadu czynnego, w którym zachodzi proces puchnięcia, bakterie nitkowate są poddawane selektywnej i gwałtownej bakteriolizie i tym samym możliwe jest uniknięcie puchnięcia. W opisie patentowym JP (opubl ) przedstawiono sposób oczyszczania ścieków, w którym obraz osadu jest analizowany automatycznie w odstępach od 10 minut do godziny poprzez zastosowanie zanurzonego w nich mikroskopu umieszczonego w zbiorniku napowietrzającym i przetwarzaniu obrazu, który wywoływany jest przez procesor graficzny oraz urządzenie operacyjne. Poprzez przetwarzanie obrazu określone parametry odnoszące się do bakterii nitkowatych oraz aglu-

5 PL B1 5 tynujących znajdujących się w grupie bakterii zawartych w osadzie, mierzone są długość bakterii nitkowatych oraz obszar, jasność, obszar przenoszenia oraz jasność przenoszenia, zaś zmierzone parametry zostają wprowadzone do urządzenia, które przeprowadza analizy, na podstawie zawartych w nich informacji. Na podstawie uzyskanych pomiarów kontroluje się parametry charakteryzujące bakterie nitkowate i aglutynujące poprzez zmiany ustawień ilości wody wpływającej oraz stopnia napowietrzenia oraz możliwe jest ustabilizowanie ścieków. W opisie patentowym JP (opubl ) opisano sposób eliminacji puchnięcia osadu oraz czynnik powodujący eliminację puchnięcia osadu w przypadku ścieków. Czynnik przyczyniający się do usuwania puchnięcia stanowi pochodna chloru bądź fluoru izoftalonitrylu, która dodawana jest do osadu czynnego, w ilości 0.01 do 1 pts. wt. do 100 pts. wt. zawartości suchej masy osadu czynnego, przez które bakterie nitkowate są eliminowane, ograniczając puchnięcie. W opisie patentowym JP (opubl ) opisano sposób hamowania rozmnażania i rozwoju grzybów nitkowatych w oczyszczaniu ścieków organicznych. Supresja jest możliwa przez flokulację substancji wytwarzanej przez bakterie należące do gatunku Rhodococcus lub Nocardia oraz chlorku wapnia obecnego w systemie. Czynnik odpowiedzialny za supresję namnażania i rozwoju grzybów jest otrzymywany przez liofilizację szczepu Rhodococcus erythropolis. W opisie patentowym JP (opubl ) przedstawiono sposób zapobiegania puchnięciu osadu czynnego. W przypadku wprowadzania ścieków oraz osadu czynnego do zbiornika napowietrzającego oraz biologicznej obróbki substancji organicznych, 20-50% wody morskiej jest mieszane ze ściekami. Jako że wydajność mikroorganizmów zawartych w ściekach organicznych, z wyjątkiem bakterii nitkowatych nie ulega pogorszeniu, jakość wody uzdatnionej środka zagęszczającego zostaje określona, i stabilny proces może być prowadzony. W opisie patentowym JP (opubl ) przedstawiono środek bakteriobójczy przeznaczony dla bakterii nitkowatych i sposób hamowania procesu puchnięcia osadu czynnego. Germicyd zawiera substancję aktywną, produkt reakcji kationowej otrzymany w wyniku reakcji związku imidazolu z epihalohydryną i jest zdolny do zabijania bakterii nitkowatych. W opisie patentowym JP (opubl ) opisano sposób eliminacji bakterii nitkowatych w ściekach. Osad zebrany z dna zbiornika sedymentacji jest częściowo zawracany poprzez rurę zwrotną do zbiornika beztlenowego. Osad pozostaje w zbiorniku i jest mieszany przez określony czas, następnie przepływa do zbiornika napowietrzającego z dodatkiem wody surowej. Przez to, że metoda ta umożliwia zawrócenie ścieków ze zbiornika sedymentacyjnego do zbiornika napowietrzającego i ich pozostanie w zbiorniku beztlenowym przez określony czas w atmosferze beztlenowej, umożliwia kontrolę rozwoju bakterii nitkowatych, które są bakteriami tlenowymi. W ten sposób możliwe jest zredukowanie puchnięcia osadu oraz uzyskanie satysfakcjonującego poziomu oczyszczania. W opisie patentowym JP (opubl ) opisano wykorzystanie 20-70% wodnego roztworu monoalkiloaminy lub, w zależności od okoliczności, monoalkiloaminy i dialkiloaminy, w hermetycznie zamkniętym reaktorze, gdy wypełniony jest on gazowym azotem. Następnie dodawana jest epihalohydryna, przy kontroli temperatury utrzymywanej pomiędzy C i zachodzi reakcja pomiędzy wspomnianą aminą tak by otrzymać rozpuszczalny w wodzie polimer. Przygotowywany jest roztwór wodny zawierający 1-10wt.% tego rozpuszczalnego w wodzie polimeru i wpływające ścieki są mieszane z roztworem wodnym, tak by wprowadzić go do zbiornika napowietrzającego. W ten sposób ogranicza się puchnięcie osadów wywołane przez bakterie takie jak Typ 021N. Pomimo opisanych powyżej badań poświęconych otrzymywaniu rozwiązań, które ograniczyłyby problemy puchnięcia i pienienia osadu czynnego technolodzy nadal nie są w stanie wskazać niezawodnego remedium w sytuacji kiedy zawiodły środki chemiczne stosowane do zwalczania bakterii nitkowatych, a oczyszczalnie nie mają możliwości wprowadzenia znaczących zmian technologicznych. W odpowiedzi na zapotrzebowanie na skuteczną, tanią i bezpieczną metodę zapobiegania puchnięciu osadu konieczne jest znalezienie nowych, biologicznych metod poprawiających właściwości sedymentacyjne osadu i tym samym zredukowanie procesu puchnięcia. Celem niniejszego wynalazku jest dostarczenie środków, które mogłyby być wykorzystane do biologicznego ograniczania rozwoju bakterii nitkowatych powodujących problemy eksploatacyjne w oczyszczalniach ścieków poprzez wykorzystanie organizmów - wrotków - naturalnie występujących w osadzie czynnym. Zastosowanie biologicznych metod kontroli bakterii nitkowatych, a szczególnie M. parvicella może doprowadzić do znacznego ograniczenia kosztów zwalczania zjawiska puchnięcia osadu w oczyszczalniach ścieków.

6 6 PL B1 Realizacja tak określonego celu i rozwiązanie opisanych w stanie techniki problemów związanych z puchnięciem i pienieniem osadu czynnego oraz stworzenie skutecznej, taniej i bezpiecznej metody zapobiegania puchnięciu osadu w oparciu o biologiczne metody poprawiające właściwości sedymentacyjne osadu, charakteryzujące się równocześnie pozytywnym wpływem na właściwości sedymentacyjne osadu i w mniejszym stopniu oddziaływujące na środowisko naturalne zostały osiągnięte w niniejszym wynalazku. Przedmiotem niniejszego wynalazku jest sposób ograniczenia rozwoju bakterii nitkowatych w osadzie czynnym charakteryzujący się tym, że do osadu czynnego zawierającego bakterie nitkowate Microthrix parvicella i N. limicola typ 021N wprowadza się wrotki, przy czym wyjadają one wspomniane bakterie nitkowate i zmniejszają ich zagęszczenie w osadzie czynnym. Korzystnie, stosunek objętości inoculum wrotków do osadu czynnego zawarty jest w przedziale od 1:20 do 1:80, przy zagęszczeniu wrotków w inoculum /ml. Korzystnie, etap pierwszy obejmuje namnożenie wrotków w napowietrzanych zbiornikach, etap drugi obejmuje analizę skuteczności wrotków w stosunku do konkretnych osadów, gdzie osad czynny z testowanej oczyszczalni miesza się z inoculum wrotków w laboratoryjnym układzie eksperymentalnym z kilkoma powtórzeniami, przy czym osad bez dodatku wrotków traktuje się jako kontrolę, tak że analiza zmian liczebności wrotków w czasie i porównanie zagęszczenia bakterii nitkowatych w eksperymencie i kontroli umożliwia stwierdzenie skuteczności metody dla konkretnego osadu, a następnie w etapie trzecim wprowadza się inoculum do komór o ograniczonej pojemności zanurzonych w komorze osadu czynnego, gdzie następuje namnażanie wrotków. Korzystnie, wrotki namnażane są bezpośrednio w komorach osadu czynnego. Korzystnie, wrotki namnażane są poza komorami osadu czynnego. Korzystnie, indeks bakterii nitkowatych FI zmniejsza się w czasie, a liczebność wrotków rośnie. Kolejnym przedmiotem wynalazku jest zastosowanie wrotków w sposobie zapobiegania puchnięciu osadu czynnego poprzez wyjadanie bakterii nitkowatych, przy czym osad czynny zawiera bakterie Microthrix parvicella, i N. limicola typ 021N. Korzystnie, indeks bakterii nitkowatych FI zmniejsza się z czasem, a liczebność wrotków rośnie. Równie korzystnie, stosunek objętości stosowanego inoculum wrotków do osadu czynnego, zawarty jest w przedziale od 1:20 do 1:80, przy czym zagęszczenie wrotków w inoculum wynosi od 500 do 3000/ml. Załączone figury pozwalają na lepsze wyjaśnienie istoty wynalazku. Figura 1 przedstawia korelację pomiędzy zagęszczeniem wrotków i indeksem bakterii nitkowatych (FI) w oczyszczalniach: PK (a), ZPM (b), CZ (c) i WW (d), gdzie 1a) r = , p = 0.001, 1b) r = , p = , 1c) p > 0.5, 1, d) r = 0.313, p = Figura 2 przedstawia korelację pomiędzy zagęszczeniem ameb domkowych i indeksem nitek (FI) w oczyszczalni CZ, gdzie r = , p = Figura 3 przedstawia średni wskaźnik zagęszczenia nitek (DF) 7 dni po wprowadzeniu wrotków do osadu z oczyszczalni CZ (a), WW (b) i SU (c). Figura 4 przedstawia średni wskaźnik zagęszczenia nitek (DF) 7 dni po wprowadzeniu wrotków do osadu z oczyszczalni WW w laboratoryjnym eksperymencie prowadzonym w zlewkach. Figura 5 przedstawia średnią liczbę wrotków/ml (SLW) w zlewkach na początku, w 5 i 7 dniu eksperymentu. Figura 6 przedstawia objętość osadu po upływie 30 minut od momentu równomiernego wymieszania w cylindrach miarowych w kontroli (1-4) i eksperymencie (5-8). Poniżej zaprezentowano przykładowe realizacje zdefiniowanego powyżej wynalazku. P r z y k ł a d W trakcie przeprowadzanych przez nas badań mikroskopowych osadu czynnego zauważono, że przynajmniej dwa inne organizmy - wrotki oraz ameba domkowa - trawią bakterie nitkowate. Dlatego też zdecydowano się sprawdzić, pośród licznych zebranych przez nas danych, czy są i jeśli tak to jakie oddziaływania pomiędzy wrotkami i/lub amebami a bakteriami nitkowatymi. Przeprowadzono również liczne doświadczenia mające na celu określenie czy wrotki transferowane z hodowli do osadu czynnego z różnych oczyszczalni ścieków będą w stanie przetrwać, proliferować i eliminować mikroorganizmy nitkowate. Głównym celem drugiego eksperymentu było sprawdzenie czy wrotki eliminujące bakterie nitkowate mogą mieć wpływ na właściwości sedymentacyjne ścieków. Przez trzy lata zbierano dane z 4 oczyszczalni ścieków z południowej Polski. Próbki o objętości ok. 200 ml pobierane były z komór napowietrzania i przesyłane do laboratorium. Aby uniknąć deficytów tlenu

7 PL B1 7 w transportowanych próbkach, pojemniki były wypełniane do połowy objętości maksymalnej. Próby zawsze były analizowane w ciągu 24 godzin od momentu pobrania. Próby były analizowane według szacunkowej metody, Eikelboom a (Eikelboom, 2000), która nie wymaga dokładnego liczenia organizmów występujących w próbie i opiera się na szacunkowej ocenie ich zagęszczenia. Zagęszczenie bakterii nitkowatych oceniane jest według skali od 0 do 5, a w przypadku pierwotniaków i organizmów wyższych (wrotki, nicienie, skąposzczety itp.) na skali od 0 do 3. W badaniach wprowadzono wartości połówkowe w celu dokonania bardziej precyzyjnej oceny zagęszczenia mikroorganizmów. Następnie przeprowadzono analizę korelacji pomiędzy zagęszczeniem bakterii nitkowatych a pozostałymi organizmami występującymi w osadzie czynnym - przeanalizowano 133 zebrane próbki. Zbadano korelację pomiędzy orzęskami, wiciowcami, amebami nagimi, amebami domkowymi, wrotkami i nicieniami. Okazało się, że jedynymi organizmami, których liczba koreluje negatywnie z zagęszczeniem bakterii nitkowatych są ameby domkowe i wrotki. W związku z tym, że w czasie obserwacji mikroskopowych często widziano wrotki zjadające nitkowate bakterie przeprowadzono serię doświadczeń laboratoryjnych, aby sprawdzić czy wrotki faktycznie mogą znacząco zmniejszać zagęszczenie bakterii nitkowatych w osadzie. Do doświadczeń użyto wrotków Lecane inermis, których klony wcześniej wyprowadzono z pojedynczych organizmów, pobranych z jednej próbki ścieków i hodowano na szalkach Petriego w wodzie mineralnej Żywiec. Żerowały one na bakteriach namnażających się na nasionach ryżu (wcześniej wysterylizowanych wrzącą wodą) dodawanych do pożywki hodowlanej. Hodowle były utrzymywane przy natężeniu światła 70 μm foton m -2 s -1, przy zachowaniu schematu 12 godz. światła: 12 godzin ciemności, w temperaturze 20 C. Do doświadczeń użyto osadu czynnego z dwóch wcześniej badanych oczyszczalni (dalej oznaczane jako CZ i WW) oraz z jednej oczyszczalni wcześniej nie badanej, ale ciągle borykającej się z problemem puchnięcia osadu (dalej oznaczonej jako SU). Przed rozpoczęciem eksperymentów oznaczono i oszacowano zagęszczenie bakterii nitkowatych w poszczególnych oczyszczalniach. Osad z oczyszczalni Indeks nitek FI Bakterie CZ 3,5 Microthrix parvicella - zdecydowanie dominująca WW 4,5 Microthrix parvicella - jedyna występująca bakteria SU 4,0 Microthrix parvicella i Actinomycetes - występowanie w równych proporcjach Eksperymenty prowadzono w 24-studzienkowych płytkach do hodowli tkankowych. Do 16 studzienek odmierzono po 1 ml osadu czynnego. Osiem studzienek służyło jako kontrola a do ośmiu pozostałych wpuszczono po 100 wrotków. W czasie odławiania wrotków około 100 μl wody mineralnej Żywiec dostawało się do studzienek eksperymentalnych. Aby utrzymać jednakowe parametry chemiczne osadu czynnego, taką samą ilość wody mineralnej dolano do studzienek stanowiących kontrolę. Płytki umieszczono w komorach hodowlanych w ciemności w temperaturze 20 C. Tak przygotowany układ eksperymentalny powtórzono dla każdego osadu osobno. Po upływie tygodnia z każdej studzienki pobrano po 10 podprób o objętości 25 μl i bezpośrednio na szkiełku podstawowym mieszano je z 10 μl oranżu akrydyny. Oranż akrydyny powodował, że wszystkie żywe bakterie nitkowate były bardzo wyraźnie widoczne pod mikroskopem fluorescencyjnym. Podpróby nakrywano szkiełkiem nakrywkowym o rozmiarze 22 x 22 mm, a następnie pod mikroskopem robiono zdjęcia dziesięciu losowo wybranych pól widzenia z każdego preparatu. Każde zdjęcie analizowano przy pomocy Systemu Analizy Obrazu LUCIA. Na zdjęcie program nakłada ramkę o rozmiarze 28 x 28 μl. Liczono ilość przecięć bakterii nitkowatych z ramką, a uzyskiwaną w ten sposób wartość określano jako DF (ang. density factor). Dla każdego eksperymentu i kontroli liczono następnie średnią wartość wskaźnika DF. Wykorzystywano mikroskop fluorescencyjny Nikon Eclipse 80i z filtrem B-2A (wzbudzenie nm) przy całkowitym powiększeniu 1000x. Zbiorcza analiza danych zebranych w ciągu trzech lat z czterech badanych oczyszczalni wykazała, że indeks bakterii nitkowatych (FI) koreluje ujemnie z zagęszczeniem wrotków (r = -0,3182, p<0,001) i ameb domkowych (r = -0,3805, p<0,001). Korelacje FI z zagęszczeniem innych grup orga-

8 8 PL B1 nizmów takich jak: orzęski, wiciowce, ameby nagie i nicienie okazały się nieistotne statystycznie. Analiza danych przeprowadzona niezależnie dla każdej z oczyszczalni wykazała, że korelacje: Osad z oczyszczalni zagęszczenie wrotków versus indeks bakterii nitkowatych PK r = -0,4968, p = 0,001 nieistotna korelacja pomiędzy amebami domkowymi a FI ZPM r = -0,5476, p = 0,0056 r = 0,3817, p = 0,06 CZ Nieistotna, p>0,5 r = -0,41, p = 0,01 WW r = 0,313, p = 0,08 nieistotna - zagęszczenie wrotków versus indeks bakterii nitkowatych były ujemne i istotne statystycznie dla oczyszczalni PK (Fig. 1a., r = - 0,4968, p = 0,001) i ZPM (Fig. 1b., r = - 0,5476, p = 0,0056). - w oczyszczalni CZ korelacja ta okazała się nieistotna (Fig. 1c, p>0,5), - w oczyszczalni WW była słabo istotna (Fig. 1d, r = 0,313, p = 0,08). W przypadku oczyszczalni CZ wykazano natomiast istotną statystycznie ujemną korelację pomiędzy amebami domkowymi a FI (Fig. 2, r = -0,41, p = 0,01). W ZPM korelacja ta była słabo istotna (r = 0,3817, p = 0,06), a przypadku WW i PK nieistotna. Wykresy 3 a-c pokazują wyniki eksperymentów w skali laboratoryjnej, w których wrotki zostały dodane do prób osadów z trzech różnych oczyszczalni ścieków: CZ, WW i SU. W dwóch przypadkach: CZ (Fig. 3a) i WW (Fig. 3b) wykazano istotne różnice z zagęszczeniu bakterii nitkowatych pomiędzy zabiegiem a kontrolą. Test t dla danych niezależnych potwierdził, że wrotki skutecznie zmniejszyły zagęszczenie bakterii nitkowatych w osadzie czynnym z oczyszczalni CZ (t = -3,411, df = 158, p<0,001) i WW (t = -5,484, df = 158, p<0,001), a efekt ten był mniej wyraźny w przypadku osadu z oczyszczalni CZ. Nie wykazano natomiast statystycznie istotnych różnic pomiędzy zabiegiem i kontrolą w eksperymencie z użyciem prób osadu z oczyszczalni SU (Fig. 3c). Osad z oczyszczalni Test t df CZ -3,411, p<0, WW -5,484, p<0, SU Brak statystycznie istotnych różnic pomiędzy zabiegiem i kontrolą Otrzymane wyniki zachęciły do powtórzenia eksperymentu w większej skali. Do tego eksperymentu wybrano osad WW ze względu na wysoki indeks nitek (FI = 4,5), które reprezentowane były jedynie przez M. parvicella, a także dlatego, że w osadzie tym nie występowały wrotki z rodzaju Lecane. Eksperyment przeprowadzono w 8 zlewkach o pojemności 2 litrów. Każda zlewka zawierała 1 litr osadu czynnego. Do 4 zlewek dolano po 50 ml zawiesiny wrotków, w której zagęszczenie wrotków wynosiło około 3200 osobników na ml. W mieszance z osadem czynnym dawało to zagęszczenie około 150 osobników na ml. Do 4 kontrolnych zlewek dolano po 50 ml wody mineralnej Żywiec. Osad w zlewkach był napowietrzany przy pomocy pompek akwariowych i trzymany w temperaturze 20 C. Używając metod opisanych powyżej obliczono wartość wskaźnika DF 24 godziny i 7 dni po wpuszczeniu wrotków do układu. W piątym i siódmym dniu policzono również liczebność wrotków w 8 podpróbach o objętości 25 μl pobranych z każdej zlewki. Następnie obliczono średnią liczbę wrotków w 1 ml osadu. W ósmym dniu eksperymentu przelano po 100 ml osadu z każdej zlewki do cylindrów miarowych i po upływie pół godziny sprawdzano objętość osadu odseparowanego od oczyszczonego ścieku. Wyniki eksperymentu przeprowadzonego w większej skali, w dwulitrowych zlewkach potwierdziły zdolność wrotków z rodzaju Lecane do ograniczania liczebności bakterii nitkowatych w osadzie. Na początku eksperymentu średnie zgęszczenia bakterii nitkowatych w naczyniach kontrolnych i eksperymentalnych były podobne. Po upływie tygodnia zagęszczenie bakterii nitkowatych w naczyniach z wrotkami znacząco się zmniejszyło (t = 3,392, df = 157, p<0,001), podczas gdy w kontroli utrzymało się na tym samym poziomie. Pod koniec eksperymentu różnica pomiędzy wskaźnikiem zagęszczenia bakterii nitkowatych (DF) w naczyniach eksperymentalnych i kontrolnych była bardzo istotna (Fig. 4, t = -5,9437, df = 157, p<0,001).

9 PL B1 9 Liczebność wrotków w czasie eksperymentu znacząco wzrosła (Fig. 5). Przyrost liczebności był niższy na początku - liczba wrotków wzrosła czterokrotnie w czasie 5 dni, a w ciągu ostatnich dwóch dni eksperymentu 3,5-krotnie. Ponieważ wzrost exponencjalny opisywany jest wzorem N t = n 0 e rt, współczynnik wzrostu obliczono jako: r = (1nn 1, 1nn 0 ), gdzie t to dzień eksperymentu, n t -liczba wrotków w t dniu eksperymentu i n 0 to początkowa liczba wrotków. Przez pierwsze 5 dni współczynnik wzrostu wahał się w granicach 0,2-0,3, a przez ostatnie 2 dni osiągnął wartość 0,5-0,8. Na fig. 6 przedstawiono różnice w objętości osadu po upływie 30 minut od przelania do cylindrów miarowych po równomiernym wymieszaniu w zlewkach. Objętość osadu jest wyraźnie niższa w cylindrach z osadem z domieszką wrotków (cylindry 5-8), niż w cylindrach kontrolnych (1-4). W cylindrach eksperymentalnych objętość osadu osiągała wartości w przedziale 14 do 18 ml, a w cylindrach kontrolnych w przedziale 21 do 44 ml. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób ograniczenia rozwoju bakterii nitkowatych w osadzie czynnym, znamienny tym, że do osadu czynnego zawierającego bakterie nitkowate Microthrix parvicella i N. limicola typ 021N wprowadza się wrotki, przy czym wyjadają one wspomniane bakterie nitkowate i zmniejszają ich zagęszczenie w osadzie czynnym. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek objętości inoculum wrotków do osadu czynnego zawarty jest w przedziale od 1:20 do 1:80, przy zagęszczeniu wrotków w inoculum /ml. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że etap pierwszy obejmuje namnożenie wrotków w napowietrzanych zbiornikach, etap drugi obejmuje analizę skuteczności wrotków w stosunku do konkretnych osadów, gdzie osad czynny z testowanej oczyszczalni miesza się z inoculum wrotków w laboratoryjnym układzie eksperymentalnym z kilkoma powtórzeniami, przy czym osad bez dodatku wrotków traktuje się jako kontrolę, tak że analiza zmian liczebności wrotków w czasie i porównanie zagęszczenia bakterii nitkowatych w eksperymencie i kontroli umożliwia stwierdzenie skuteczności metody dla konkretnego osadu, a następnie w etapie trzecim wprowadza się inoculum do komór o ograniczonej pojemności zanurzonych w komorze osadu czynnego, gdzie następuje namnażanie wrotków. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że wrotki namnażane są bezpośrednio w komorach osadu czynnego. 5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że wrotki namnażane są poza komorami osadu czynnego. 6. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że indeks bakterii nitkowatych FI zmniejsza się w czasie, a liczebność wrotków rośnie. 7. Zastosowanie wrotków w sposobie zapobiegania puchnięciu osadu czynnego poprzez wyjadanie bakterii nitkowatych, przy czym osad czynny zawiera bakterie Microthrix parvicella, i N. limicola typ 021N. 8. Zastosowanie według zastrz. 7, znamienne tym, że indeks bakterii nitkowatych FI zmniejsza się z czasem, a liczebność wrotków rośnie. 9. Zastosowanie według zastrz. 7, znamienne tym, że stosunek objętości stosowanego inoculum wrotków do osadu czynnego, zawarty jest w przedziale od 1:20 do 1:80, przy zagęszczeniu wrotków w inoculum wynosi od 500 do 3000/ml.

10 10 PL B1 Rysunki

11 PL B1 11

12 12 PL B1

13 PL B1 13

14 14 PL B1

15 PL B1 15

16 16 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 4,92 zł (w tym 23% VAT)