KAWITACJA ULTRADWIKOWA W HIGIENIZACJI OSADU CZYNNEGO NADMIERNEGO

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE GIG GÓRNICTWO I RODOWISKO RESEARCH REPORTS MINING AND ENVIRONMENT Kwartalnik Quarterly 3/2011 Agnieszka Rusin, Alicja Machnicka KAWITACJA ULTRADWIKOWA W HIGIENIZACJI OSADU CZYNNEGO NADMIERNEGO Streszczenie Skuteczno procesu dezintegracji wynika z fizycznych lub chemicznych metod destrukcji ciany komórkowej, co w konsekwencji prowadzi do jej fragmentacji i uwalniania wewntrzkomórkowych substancji do otaczajcej fazy płynnej. W technologii osadów ciekowych pozytywne efekty dezintegracji uzyskuje si przez stosowanie: mechanicznej destrukcji, ultradwików, obróbki cieplnej, dodawania enzymów, ozonowania, chemicznego rozkładu przez zakwaszanie lub hydroliz alkaliczn. Celem wykonanych bada było wykazanie moliwoci zastosowania ultradwików do bakteriologicznej higienizacji osadu czynnego nadmiernego. Potwierdzeniem skutecznoci bakteriobójczego działania kawitacji ultradwikowej była liczba bakterii rosncych na agarach przed i po procesie higienizacji. Do bada zostały uyte podłoa podstawowe i selektywne. Hodowla kultur bakteryjnych twała 24 i 48 godzin. Po czasie inkubacji kultury zostały policzone i poddane wstpnej identyfikacji. Na podstawie przeprowadzonych analiz stwierdzono redukcj ogólnej liczby bakterii i patogennych bakterii nalecych do rodziny Enterobacteriaceae i chorobotwórczych z rodzaju Staphylococcus. Przy czstotliwoci fali ultradwiekowej 40 khz redukcja bakterii Salmonella wynosiła 94%, a przy 25 khz 89%. W przeprowadzonych procesach została potwierdzona dyspersja fazy stałej i zniszczenie komórek bakterii patogennych. Ultrasonic cavitation in hygienization surplus activated sludge Abstract The success of an effective process of disintegration is the application of physical or chemical methods of the destruction of the cell wall which consequently becomes fragmented and the intracellular matters are released into the surrounding liquid. From the used methods of disintegration in the technology of sewage sludge positive results are achieved by: mechanical destructions, ultrasounds, heat treatments, adding of enzymes, ozone treatment, chemical dissolution by acidification or alkaline hydrolysis. The purpose of the conducted experiments was to demonstrate possibilities of application of the ultrasonic in the bacteriological hygienisation of surplus activated sludge. The confirmation of the effectiveness of the bactericidal activity of ultrasonic cavitation was the number of bacteria grown on agars before and after hygienisation process. Selective and basic beddings have been used in the research. The bacterial culture has lasted approximately 24 to 48 hours. After the period of incubation the colonies produced have been counted and initially identified. Based on the microbiological analyses a significant reduction in an overall number of bacteria and pathogenic bacteria belonging to the family Enterobacteriaceae and to the pathogenic species Staphylococcus has been noticed. Reducing the number of Salmonella bacteria was 94% at a frequency ultrasonic waves of 40 khz and 89% at 25 khz. lskie rodowiskowe Studium Doktoranckie Akademia Techniczno-Humanistyczna, Instytut Ochrony i Inynierii rodowiska, Bielsko-Biała 73

2 Mining and Environment In the conducted processes of disintegration the dispersion of a solid phase of the sediment and also the destruction of pathogenic bacteria cells has been confirmed. 1. WPROWADZENIE cieki i osady ciekowe, poza materi w postaci zawiesin łatwo opadajcych i nieopadajcych, koloidów i zwizków rozpuszczonych, zawieraj zanieczyszczenia biologiczne. S to organizmy ywe, takie jak: wirusy, bakterie, promieniowce, pierwotniaki, grzyby oraz helminty. Ocena stanu sanitarnego osadów polega na porednim wnioskowaniu o zawartoci bakterii chorobotwórczych oraz jaj pasoytów jelitowych na podstawie tzw. wskanika sanitarnego. Do niedawna gatunkiem traktowanym jako wskanik sanitarny wród bakterii była pałeczka laktozododatnia Escherichia coli. Obecnie na podstawie Rozporzdzenia Ministra rodowiska (Dz.U. z 2010 Nr 137, poz. 924) w ocenie sanitarnej wykorzystuje si nowy wskanik, którym jest Salmonella spp. Rola pałeczek Salmonella spp. i Shigella spp. w patogenezie zakae ludzi, w ostatnich latach, znacznie wzrosła. Bakterie rodzaju Salmonella s przyczyn 86% spotykanych gastroenteritis (Bie 2007). Liczebno drobnoustrojów chorobotwórczych mona ograniczy przez stosowanie utylizacji osadów: chemicznej stabilizacji, kompostowania, termofilowej stabilizacji tlenowej, fermentacji metanowej, pasteryzacji, dezaktywacji radiacyjnej (Miksch red. 2010). Niebezpieczestwo zakaenia rodowiska przyrodniczego patogenami pochodzcymi z osadów ciekowych zmusza jednak do poszukiwania metod w celu poprawienia ich stanu sanitarnego. Niektóre metody stosowane w biotechnologii cieków, takie jak: promieniowanie mikrofalowe (Kennedy, Thibault, Droste 2007), energia ultradwików (Zhang P., Zhang G., Wang 2007; Wang, Lu, Ji 2006), homogenizacja mechaniczna (Müller 2000), cinienie (Grübel, Machnicka 2009), ozonowanie (Weemaes i in. 2000), enzymy (Roman, Burgess, Pletschke 2006) słu do dezintegracji osadów ciekowych. Dezintegracja jest procesem powodujcym niszczenie struktury osadów, w wyniku którego nastpuje dyspersja czstek osadu oraz liza komórek mikroorganizmów. Proces ten powoduje: zmiany fizyczno-chemiczne osadów, zmiany właciwoci reologicznych, podatno na procesy biodegradacji zwizków i zmiany właciwoci filtracyjnych. Procesy dezintegracji znalazły zastosowanie midzy innymi we wspomaganiu procesów stabilizacji osadów nadmiernych, intensyfikacji fermentacji metanowej, usuwania zwizków biogennych, zanieczyszcze specyficznych, zmniejszania iloci pozostałych do zagospodarowania osadów w oczyszczalniach cieków czy niszczenia bakterii nitkowatych (eglin-kurbiel, Bana, Cimochowicz-Rybicka 2003; Machnicka, Grübel, Suschka 2009; Zielewicz 2007; Klimiuk, Łebkowska 2004). Jedn z metod dezintegracji osadów ciekowych jest stosowanie kawitacji ultradwikowej. Kawitacj nazywa si zjawisko wywołane zmiennym polem cinie w cieczy. Polega ono na powstawaniu, wzrocie i zanikaniu pcherzyków lub innych obszarów zamknitych (kawern) zawierajcych par danej cieczy, gaz lub mieszanin parowo-gazow. Pcherzyki te zwikszaj swoj objto na obszarach niskiego ci- 74

3 Górnictwo i rodowisko nienia, poniej jego krytycznej wartoci i zmniejszaj objto w obszarach podwyszonego cinienia, powyej wartoci krytycznej. Warto cinienia krytycznego zaley od rodzaju, stanu cieczy, obecnoci orodków kawitacji i jest zbliona do wartoci cinienia pary nasyconej (Bbenek B., Bbenek H. 1987; PN-86/H-04426). Zastosowanie pola ultradwikowego powoduje kawitacj akustyczn zachodzc na skutek powstawania pcherzyków próniowych w cieczy dezintegrowanych mediów pod wpływem natenia ultradwików. Uszkodzenie kohezyjnej struktury makromolekuł cieczy wywołuje powstawanie pcherzyków kawitacyjnych, których implozja powoduje (Wolny, Kamizela 2003; Burka 2001; Mitosek 2002) wysokie mechaniczne naprenia tnce (cinajce), tworzenie rodników H + i OH, przemiany chemiczne zwizków organicznych oraz termiczny rozkład substancji hydrofobowych, zwłaszcza lotnych (Onyeche i in. 2002; Schläfer i in. 2002). Celem przeprowadzonych bada była próba wykazania wpływu kawitacji ultradwikowej na popraw stanu sanitarnego osadu czynnego nadmiernego. 2. MATERIAŁ I METODA BADA Materiałem do bada był osad nadmierny z oczyszczalni, w której jest stosowane zaawansowane biologiczne oczyszczanie cieków, polegajce na symultanicznym usuwaniu zwizków organicznych oraz biogenów, azotu i fosforu. Oczyszczalnia przyjmuje m 3 cieków na dob, czas zatrzymywania cieków wynosi 14 dni, a stenie osadu czynnego w bioreaktorze około 4500 mg/dm 3. Próbki osadu nadmiernego, do bada, pobierano czerpakiem, do szklanych wysterylizowanych (w autoklawie) zamykanych pojemników. Pobrany materiał po dostarczeniu do laboratorium od 15 do 45 minut od momentu pobrania wysiewano na podłoa hodowlane, bez poddawania go procesowi higienizacji ultradwikowej i po procesie higienizacji. Liczb bakterii oznaczono metod hodowlan. Ze wzgldu na spodziewany stopie zanieczyszczenia próbek, charakteryzujcy si du liczebnoci bakterii, przed posiewem badany osad rozcieczano w roztworze soli fizjologicznej. Wykonano rozcieczenia od 10-1 do Liczebno bakterii w 1 cm 3 osadu czynnego nadmiernego wyliczono według PN- EN ISO 6222:2004. Przedstawiona graficznie liczebno bakterii w 1 cm 3 osadu nadmiernego przed i po procesie higienizacji ultradwikowej była redni arytmetyczn z piciu serii badawczych. W kadej serii badawczej wykonano dziesi powtórze oznacze iloci drobnoustrojów. Jako podłoe hodowlane wykorzystano agar odywczy (wzbogacony), Mac Conkey a, SS, Chapmana. Zastosowano metod posiewu powierzchniowego ez i 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. 1994). Ponadto, przy identyfikacji uwzgldniono cechy morfologiczne kolonii wyrosłych na zastosowanych podłoach. 75

4 Mining and Environment Do higienizacji osadu czynnego nadmiernego zastosowano pole ultradwikowe o czstotliwoci 25 i 40 khz. 3. DYSKUSJA WYNIKÓW BADA Zastosowane w badaniach fale ultradwikowe o czstotliwoci 25 i 40 khz powodowały niszczenie struktury mikroorganizmów osadu nadmiernego i ich mier. Wraz z wydłuaniem czasu higienizacji ultradwikowej i wzrostem czstotliwoci malała liczba bakterii osadu poddanego dezintegracji. Ogólna liczba bakterii w 1 cm 3 osadu nadmiernego, poddanego higienizacji ultradwikami o czstotliwoci drga 25 khz, uległa zmniejszeniu o 59%, a przy 40 khz o 77% (rys. 1). /2!!; K L 3!! ; K &7! Pole ultradwikowe działało niszczco na bakteryjny wskanik oceny sanitarnej osadu ciekowego. Liczba bakterii z rodzaju Salmonella uległa redukcji w 1 cm 3 osadu nadmiernego o 89%, przy czstotliwoci fal 25 khz, a przy czstotliwoci 40 khz o 94% (rys. 2). Kawitacja akustyczna spowodowała zmniejszenie liczby pałeczek Shigella spp. o 88% przy nateniu fal 25 khz i o 94% przy 40 khz (rys. 2). W osadzie nadmiernym spowodowała równie zmniejszenie liczebnoci pałeczek z rodziny Enterobacteriaceae (rys. 2). 76

5 Górnictwo i rodowisko 9! ; K L +!! ; K &7! Liczba bakterii laktozoujemnych w 1 cm 3 osadu zmniejszyła si z około do przy zastosowaniu fal o czstotliwoci 25 khz i do przy czstotliwoci 40 khz (rys. 3). Uległa równie zmianie liczebno w 1 cm 3 osadu pałeczek laktozododatnich, do których zalicza si E. coli. Kawitacja akustyczna (25 khz) spowodowała redukcj liczebnoci tych bakterii z około do i przy 40 khz, czyli odpowiednio o 83% i 89% (rys. 3). 9! ; K L +!!"7 " 7 ; K &7! 77

6 Mining and Environment Proces higienizacji ultradwikowej przyczynił si take do redukcji bakterii z rodzaju Staphylococcus zarówno tych chorobotwórczych dla człowieka (mannitolododatnich), jak i niechorobotwórczych (mannitoloujemnych). Pole ultradwikowe o czstotliwoci 25 khz zniszczyło 57% ziarniaków mannitolododatnich i 65% mannitoloujemnych (rys. 4). Przy czstotliwoci fali 40 khz całkowitej destrukcji uległo 68% gronkowców mannitolododatnich i 85% mannitoloujemnych (rys. 4). 9!! 8 ; K L +!! 8 ; K &7! Zastosowanie pola ultradwikowego do higienizacji osadu nadmiernego spowodowało znaczc redukcj bakterii, w tym wskanika oceny sanitarnej osadów ciekowych, pałeczek Salmonella spp. o 94%. Czstotliwo drga 20 khz i powyej, jak podaj Kotełko, Siedlaczek i Lachowicz (1979), wywiera silne działanie na układy biologiczne, powodujc zmiany w komórkach, prowadzce do ich zniszczenia. mier bakterii przez liz komórek pod wpływem ultradwików o odpowiedniej czstotliwoci jest funkcj logarytmiczn czasu ich działania. Ultradwiki działaj niszczco na drobnoustroje tylko w rodowiskach płynnych, a działanie zaley od ich czstotliwoci, czasu, rodowiska ycia, rodzaju i postaci mikroorganizmów (forma wegetatywna, przetrwalnik, zarodnik) oraz wieku hodowli. Bardziej wraliwe s hodowle młode, ale kady drobnoustrój charakteryzuje si inn wraliwoci zwizan z czasem działania przy danej czstotliwoci fal ultradwikowych. Wystpuj, bowiem znaczne rónice we wraliwoci midzy rodzajami drobnoustrojów, a nawet poszczególnymi gatunkami w obrbie rodzajów. Bakterie Gram-ujemne s bardziej wraliwe na ultradwiki ni Gram-dodatnie. Ultradwiki działaj równie na drode i drodaki, nie niszcz natomiast grzybów, przetrwalników i prtków (Dobrzaski red. 1980). Działanie na wirusy jest słabe, chocia obserwacje przynosz rozbiene wyniki. Zawarto w rodowisku niektórych 78

7 Górnictwo i rodowisko zwizków, na przykład kazeiny, elatyny, zwiksza odporno mikroorganizmów na niszczce działanie ultradwików. 4. WNIOSKI 1. Metoda dezintegracji ultradwikowej przyczyniła si do zmniejszenia liczebnoci bakterii chorobotwórczych, a tym samym do higienizacji osadu czynnego nadmiernego. 2. Redukcja liczebnoci bakterii z rodzaju Salmonella wyniosła 94%, przy czstotliwoci fal ultradwikowych 40 khz i 89% przy 25 khz. 3. Zmiana liczebnoci bakterii zaleała nie tylko od czstotliwoci fal ultradwikowych, lecz take od czasu ich działania. Literatura 1. Bie J. (2007): Osady ciekowe. Teoria i praktyka. Czstochowa, Wydaw. Politechniki Czstochowskiej. 2. Bbenek B, Bbenek H. (1987): Straty energii w przepływach płynów. Skrypt Politechniki Krakowskiej, t. I. Kraków, Politechnika Krakowska. 3. Burka E.S. (2001): Zagadnienia fizyki kawitacji. Zeszyty Naukowe Politechniki Białostockiej. Budowa i Eksploatacja Maszyn nr 8, s Dobrzaski W.T. [red.] (1980): Zarys mikrobiologii dla farmaceutów. Warszawa, PZWL. 5. Grübel K., Machnicka A. (2009): The use hydrodynamic disintegration to accelerate anaerobic digestion of surplus activated sludge. Water Environment Research No 81, s Holt J.G., Krieg N.R., Sneath P.H.A., Stanley J.T.W. (1994): Bergey s Manual of Determinative Bacteriology, 9 th ed. Tokyo, Williams and Wilkins. 7. Kennedy K.J., Thibault G., Droste R.L. (2007): Microwave enhanced digestion of aerobic SBR sludge. Water SA Vol. 33, No 2, s Klimiuk E., Łebkowska M. (2004): Biotechnologia w ochronie rodowiska. Warszawa, PWN. 9. Kotełko K., Siedlaczek L., Lachowicz T.M. (1984): Biologia bakterii. Warszawa, PWN. 10. Machnicka A., Grbel K., Suschka J. (2009): The use hydrodynamic disintegration as means to improve anaerobic digestion of activated sludge. Water SA No 35, s Mitosek M. (2002): Zjawisko kawitacji zacztkowej. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Inynieria rodowiska nr 42, s Miksch K. [red.] (2000): Biotechnologia cieków. Gliwice, Politechnika lska. 13. Müller J. (2000): Disintegration as key-stop in sewage sludge treatment. Water Science and Technology Vol. 41, s Onyeche T.I., Schläfer O., Bormann H., Schröder C., Sievers M. (2002): Ultrasonic cell disruption of stabilised sludge with subsequent anaerobic digestion. Ultrasonics Vol. 40, s PN-86/H Erozja kawitacyjna Nazwy, okrelenia i symbole. 16. Roman H.J., Burgess J.E., Pletschke B.I. (2006): Enzyme treatment to decrease solids and improve digestion of primary sewage sludge. African Journal of Biotechnology Vol. 5, s Rozporzdzenia Ministra rodowiska z dnia 13 lipca 2010 r. w sprawie komunalnych osadów ciekowych. Dz.U. Nr 137, poz

8 Mining and Environment 18. Schläfer O., Onyeche T., Bormann H., Schröder C., Sievers M. (2002): Ultrasound stimulation of microorganisms for enhanced biodegradation. Ultrasonic Vol. 40(1 8), Wang F., Lu S., Ji M. (2006): Components of released liquid from ultrasonic waste activated sludge disintegration. Ultrasonics Sonochemistry Vo. 13, s Weemaes M., Grootaerd H., Simoens F., Verstraete W. (2000): Anaerobic digestion of ozonized biosolids. Water Research Vol. 34, s Wolny L., Kamizela T. (2003): Technika dezintegracji ultradwikowej w technologii cieków i osadów ciekowych. Ekologia i Technika nr 11(1), s Zielewicz E. (2007): Dezintegracja ultradwikowa osadu nadmiernego w pozyskiwaniu lotnych kwasów tłuszczowych. Zeszyty Naukowe Politechniki lskiej. Inynieria rodowiska z. 58, s Zhang P., Zhang G., Wang W. (2007): Ultrasonic treatment of biological sludge: Floc disintegration, cell lysis and inactivation. Bioresource Technology Vol. 98, s eglin-Kurbiel K., Bana J., Cimochowicz-Rybicka M. (2003): Nowe biotechnologie i kontrola osadów ciekowych do spełnienia wymaga przepisów Unii Europejskiej. Czasopismo Techniczne nr 4-, s Recenzent: dr hab. in. Jerzy Mazierski 80