PROCES BIOLOGICZNEJ WZMOŻONEJ DEFOSFATACJI

Transkrypt

1 bakterie akumulujące fosfor (PAO), bakterie dpao, defosfatacja, proces EBPR Ewa GALAS * PROCES BIOLOGICZNEJ WZMOŻONEJ DEFOSFATACJI Usuwanie fosforu ze ścieków jest bardzo istotne z powodu przeciwdziałania procesom eutrofizacji. Procesy jednostkowe umożliwiające jego usunięcie stają się integralną częścią nowoczesnych oczyszczalni ścieków komunalnych i przemysłowych. Związki fosforu ze ścieków można usunąć metodami fizyko-chemicznymi oraz biologicznymi. Obecnie największym uznaniem na świecie wśród procesów oczyszczania ścieków cieszą się procesy biologiczne, oparte na działalności mikroorganizmów. Usuwanie fosforu może być prowadzone na drodze mikrobiologicznej w oczyszczalniach EBPR (enhanced biological phosphate removal). Proces ten jest opisywany jako cykliczna, naprzemienna hodowla osadu czynnego, w warunkach beztlenowych i tlenowych. Poznanie bioróżnorodności bakterii nadmiarowo akumulujących polifosforany (PAO i dpao) może przyczynić się do optymalizacji procesu defosfatacji i opracowania nowych, efektywnych technologii usuwania fosforu ze scieków. 1. ZNACZENIE FOSFORU Fosfor jest makroelementem niezbędnym do prawidłowego funkcjonowania każdego organizmu. Wchodzi w skład kości, kwasów nukleinowych, a połączony z lipidami jest budulcem błon komórkowych. Fosfor jest niezbędnym pierwiastkiem do przeprowadzenia wielu reakcji biochemicznych. Odpowiada za produkcję energii wewnątrzkomórkowej (ATP), syntezę DNA, utrzymywanie stałego ph organizmu i przenoszenie tlenu przez krew. Ponadto, jest kluczowym związkiem w uprawach, niezbędnym do prawidłowego kiełkowania, ukorzenienia i dalszego rozwoju rośliny [2]. Fosfor, obok azotu, uważany jest za pierwiastek odpowiedzialny za wzrost troficzności w zbiornikach wodnych. Przez wiele lat sądzono, że oba pierwiastki w równym stopniu odpowiedzialne są za ten proces i, że jedynie jednoczesne obniżenie ich stę- * Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, pl. Grunwaldzki 9, Wrocław.

2 176 E. GALAS żeń pozwoli na jego zahamowanie. Jednakże badania przeprowadzone przez Schindlera [3] wykazały, że w wodach słodkich fosfor jest pierwiastkiem limitującym eutrofizację. Ponadto, przy obniżeniu stężenia przyswajalnego azotu do poziomu przy którym staje się on pierwiastkiem ograniczającym dla rozwoju glonów zielonych i sinic (cyjanobakteria), jednoczesne zachowanie nadmiaru fosforu może dalej prowdzić do ich zakwitów. Zjawisko to może być potęgowane zdolnością niektórych gatunków sinic do przyswajania wolnego azotu atmosferycznego. Nadmierny rozwój sinic prowadzący do występowania ich uciążliwych zakwitów jest przyczyną obecności w wodzie groźnych toksyn produkowanych przez te mikroorganizmy [3]. Z powodu tego, między innymi, należy zwrócić szczególną uwagę na usuwanie ze ścieków nadmiernej ilości fosforu ŹRÓDŁA FOSFORU W ŚRODOWISKU Obok istotnych funkcji metabolicznych, fosfor jest najważniejszym pierwiastkiem odpowiedzialnym za degradację zbiorników wodnych. Fosfor w środowisku pochodzi z dwóch źródeł: obszarowych i punktowych. Do źródeł obszarowych zaliczamy spływy z nawożonych gleb rolniczych oraz odchody zwierząt, a odprowadzanie nieodpowiednio oczyszczonych ścieków komunalnych i przemysłowych to źródła punktowe [1]. W ściekach surowych fosfor występuje w postaci ortofosforanów, polifosforanów oraz jako fosfor organiczny, a jego stężenie waha się od 5 g P/m 3 do 20 g P/m 3. Niższe stężenia fosforu obserwowane są dla obszarów, na których nie stosowane są środki piorące zawierające fosforany. Przyjmuje się, że fosfor pochodzący z detergentów stanowi od 50 do 75% całej zawartości tego pierwiastka w ściekach. Następnym źródłem pod względem wielkości wprowadzanego ładunku fosforu do ścieków komunalnych są odchody, a w szczególności mocz, od 30 do 50% całej zawartości tego pierwiastka w ściekach [1]. Wprowadzenie kontroli zanieczyszczeń u źródła ich powstawania np. poprzez zmniejszenie zużycia środków piorących zwierających fosforany lub ich całkowite wycofanie z użycia może znacznie obniżyć ładunek fosforu w ściekach. Jednocześnie należy podniesieść sprawność oczyszczania ścieków. Konwencjonalne metody oczyszczania ścieków nie zapewniają wymaganego poziomu usuwania ładunku fosforu. Związki fosforu ze ścieków można usunąć metodami fizko - chemicznymi oraz biologicznymi. 2. METODY FIZYKO - CHEMICZNE Usuwanie fosforu metodami fizyko- chemicznymi może być realizowane za pomocą procesów:

3 Proces biologicznej wzmożonej defosfatacji koagulacji powierzchniowej, - sorpcji, - strącania chemicznego i koagulacji objętościowej [5]. Najczęściej stosowanymi procesami są: chemiczne strącanie i koagulacja. Proces chemicznego strącania fosforanów prowadzony jest przy pomocy soli żelaza lub glinu oraz sedymentacji powstałego osadu. Zazwyczaj stosuje się sole żelaza (III) oraz glinu (III), głownie siarczan lub chlorek żelaza (III) oraz siarczan glinu (III), czasami również siarczan żelaza (II), z uwagi na znacznie niższe koszty. Metoda chemicznego strącania pozwala na usunięcie od 80 do 90% fosforu lub więcej w przypadku strącania wtórnego, które poprzedzone jest procesami biologicznymi. Chemiczne strącanie fosforu, mimo iż jest procesem skutecznym i stosunkowo prostym w obsłudze, generuje wysokie koszty eksploatacji. Duże zużycie reagentów oraz istotne zwiększenie ilości powstających osadów przekłada się na wzrost kosztów m.in. stabilizacji i unieszkodliwiania osadów. Z tego względu w większości budowanych w ostatnich latach oczyszczalni ścieków, proces chemicznego strącania fosforu stosowany jest, jako wspomaganie/uzupełnienie procesów biologicznych [6]. Metody fizyko chemiczne są odpowiednim rozwiązaniem dla istniejących już oczyszczalni, które muszą być zmodernizowane w celu osiągnięcia wymaganego stopnia usunięcia biogenów. 3. METODY BIOLOGICZNE Biologiczne usuwanie fosforu ze ścieków może odbywać się poprzez: - asymilację zwykłą, - zwiększenie wchłaniania fosforu do komórek ponad ilość potrzebną dla rozwoju mikroorganizmów i gromadzenia go w postaci polifosforanu, - zmianę warunków wewnętrznych (np. wartości ph), sprzyjających chemicznemu wytrącaniu fosforanu na kłaczkach osadu. W konwencjonalnych metodach osadu czynnego bakterie heterotroficzne wykorzystują związki organiczne jako źródło energii oraz do syntezy swojej biomasy, pobierają przy tym, ze ścieków, związki mineralne, głównie azot i fosfor, jako niezbędne materiały budulcowe. Ponadto, nierozpuszczalne fosforany gromadzone są także na kłaczkach osadu czynnego. Proces usuwania fosforu ze ścieków wynikający z zapotrzebowania fosforu na syntezę biomasy nazywany jest asymilacją zwykłą, pozwala na usunięcie ze ścieków od 20 do 30% fosforu [7]. Efektywność usuwania fosforu ze ścieków w procesach biologicznych można podwyższyć wykorzystując zdolność pewnych grup bakterii heterotroficznych tzw. PAO (ang. Phosphate Accumulating Microorganisms) do nadmiarowego gromadzenia fosforanów w komórkach w postaci ziaren polifosforanowych.

4 178 E. GALAS 3.1. PROCES WZMOŻONEJ BIOLOGICZNNEJ DEFOSFATACJI Proces wzmożonego biologicznego usuwania fosforu (ang. Enhanced Biological Phosphorous Removal - EBPR) wykorzystuje zdolność bakterii PAO do nadmiarowego gromadzenia fosforanów w komórkach w postaci ziaren polifosforanowych. Proces ten stabilizowany jest kationami magnezu i potasu oraz wymaga zapewnienia bakteriom PAO naprzemiennych warunków beztlenowo-tlenowych. W warunkach beztlenowych bakterie heterotroficzne akumulujące polifosforany pobierają rozpuszczone w ściekach substancje organiczne i przekształcają je w substancję zapasową w postaci kwasu poli-β-hydroksymasłowego (PHB). Odbywa się to kosztem energii uwalnianej w czasie hydrolizy polifosforanów, co wiąże się z uwalnianiem fosforanów do ścieków. W fazie beztlenowej stężenie fosforu w ściekach rośnie. W warunkach tlenowych nagromadzony wewnątrz komórek PHB wykorzystywany jest przez bakterie jako źródło węgla i energii, z której część jest wykorzystywana do potrzymania procesów życiowych oraz syntezy nowej biomasy bakterii. Nadmiar uzyskanej energii zużywany jest na pobór fosforanów ze ścieków w celu odbudowy wewnątrzkomórkowych złogów polifosforanów, a także na syntezę glikogenu. Intensywność tego procesu jest tak znaczna, że sumaryczna ilość fosforanów pobieranych ze ścieków jest większa niż została wydzielona w fazie beztlenowej. Wynikająca stąd różnica decyduje o efektywności usuwania fosforu [8] PROCES DEFOSFATACJI DENITRYFIKACYJNEJ Przez wiele lat uważano, że bakterie akumulujące fosforany mogą rosnąć i gromadzić fosfor w postaci wewnątrzkomórkowych polifosforanów jedynie w warunkach tlenowych. Jednakże w latach 80 XX w. zaczęto podejrzewać, że jeśli w oczyszczanych ściekach, przy braku tlenu rozpuszczonego, wystąpią azotany, bakterie akumulujące fosforany wykorzystają je jako akceptory elektronów w procesie utleniania zgromadzonego w warunkach beztlenowych kwasu poli-β-hydroksymasłowego (PHB). Według Kerrn, Jespersena i Henza [9] w beztlenowo-tlenowych układach oczyszczania ścieków mogą występować dwa typy bakterii akumulujących fosforany: - pierwszy typ mikroorganizmów, które potrafią tylko wykorzystywać tlen jako akceptor elektronów oraz - drugi typ mikroorganizmów, które mogą wykorzystywać zarówno tlen jak i azotany jako akceptor elektronów. Hu i wsp. [9] wskazali trzeci typ mikroorganizmów, dla których oprócz tlenu i azotanów akceptorem elektronów mogą być również azotyny. Druga teoria głosi, że jest to jedna populacja bakterii akumulujących polifosforany, w której w zależności od panujących warunków występują różne poziomy indukcji aktywności denitryfikacyjnej. W przypadku, gdy bakterie rozwijają się w naprzemiennych warunkach beztlenowo-tlenowych, aktywność denitryfikacyjna jest niska

5 Proces biologicznej wzmożonej defosfatacji 179 albo zerowa. Natomiast, gdy występują w warunkach beztlenowo-anoksycznych (nigdy nie występują warunki tlenowe) ich aktywność denitryfikacyjna jest największa. Badania mikrobiologiczne prowadzone przez Jorgensena i Pauli [9] potwierdziły słuszność teorii, że możliwe jest usuwanie ze ścieków azotu i fosforu przez te same bakterie tzw. denitryfikacyjne bakterie akumulujące polifosforany dpao (ang. Denitrifying Phosphate Accumulating Bacteria). Prowadzenie dwóch procesów (defosfatacji i denitryfikacji) umożliwia wykorzystanie przez bakterie dpao zamiast tlenu jako akceptora elektronu azotanów i azotynów. Eliminacja fosforu w warunkach anoksycznych jest mniej kosztowna od procesów tlenowych. Proces można prowadzić bez napowietrzania ścieków, powstaje w nim mniej osadu nadmiernego oraz proces taki charakteryzuje się mniejszym zapotrzebowaniem na węgiel organiczny. Jest to szczególnie istotne w przypadku ścieków o wysokim stężeniu związków biogennych w stosunku do węgla organicznego [10]. Jednakże izolacja i identyfikacja bakterii PAO i dpao za pomocą metod hodowlanych pozwala na wykrycie tylko niektórych kultur. Na podstawie tych badań przez wiele lat uznawano rodzaj Acinetobacter za jedyny posiadający właściwości PAO. Obiecujące wydają się metody analizy mikrobiologicznej oparte na biologii molekularnej, które umożliwiają badania i identyfikację bakterii bez konieczności ich izolacji. Ponadto charakteryzują się one dużą czułością i powtarzalnością oraz nie są uzależnione od hodowli mikroorganizmów na podłożach mikrobiologicznych, co pozwala na przyśpieszenie procedury badawczej [11]. 4. DLACZEGO ZNAJOMOŚĆ MIKROORGANIZMÓW ZASIEDLAJĄCYCH OSAD CZYNNY JEST TAKA WAŻNA? Dotychczas układy ze wzmożoną defosfatacją były projektowane i eksploatowane bez dokładnej znajomości mikroorganizmów zasiedlających osad czynny. Odkrycie w latach 50 XXw. zdolności mikroorganizmów osadu czynnego do zwiększonego usuwania fosforu ze ścieków było dziełem przypadku, zaś konfigurację kolejnych reaktorów opracowywano na drodze doświadczeń inżynierskich [8]. Znajomość zespołu mikroorganizmów EBPR pozwoli na właściwy dobór parametrów technologicznych, a także na uzyskanie zespołu bakterii PAO charakteryzujących się jak największą bioróżnorodnością. Jest to jeden z istotnych warunków zapewniających efektywność biologicznego oczyszczania ścieków i minimalizujących podatność układu na oddziaływanie czynników zewnętrznych. Identyfikacja PAO i powiązanie konkretnych organizmów z ich funkcją w układzie EBPR pozwolą na optymalizacje procesu, wyeliminowanie niestabilności, a także opracowanie nowych, bardziej efektywnych układów oczyszczania ścieków. Niezmiernie ważne jest uzupełnienie kontroli procesu biologicznego oczyszczania ścieków w stały monitoring składu gatunkowe-

6 180 E. GALAS go organizmów bytujących w osadzie czynnym. Pozwoli to na przewidywanie i zapobieganie niekorzystnym zjawiskom takim jak np. pęcznienie osadu, a ponadto umożliwi analizę prawidłowego przebiegu poszczególnych etapów oczyszczania poprzez badania prowadzących je organizmów [9,12]. LITERATURA [1] US EPA, Fine pore aeration systems-design manual, EPA/625/1-89/023, [2] WIĄCKOWSKI S., Ekologia ogólna, Oficyna Wydawnicza BRANTA, Bydgoszcz 1998, [3] SCHINDLER D.W., HECKY R.E., FINDLAY D.L., STAINTON M. P., PARKER B. R., PATERSON M. J., BEATY K. G., LYNG M., KASIAN S. E. M., Eutrophication of lakes cannot be controlled by reducing nitrogen input: Results of a 37-year whole-ecosystem experiment, Proceedings of National Academy of Science, 2008, Vol. 105, No. 32, [4] WIĄCKOWSKI S.K., Przyrodnicze podstawy inżynierii środowiska, Kielce 2000, [5] BŁASZCZYK M.K., Mikroorganizmy w ochronie środowiska, PWN, Warszawa 2007, [6] BASHAN DE L., BASHAN Y., Recent advances in removing phosphorus from wastewater and its future use as fertilizer ( ), Water Research, 2004, Vol. 38, No. 19, [7] DYMACZEWSKI Z., OLESZKIEWICZ J.A., SOZANSKI M.M., Poradnik eksploatatora oczyszczalni ścieków, PZITS, Poznań [8] LOPEZ-VAZQUEZ C. M., HOOIJMANS C. M., BRDJANOVIC D., GIJZEN H.J., Factors affecting the microbial populations At full-scale enfanced bological phosphorus removal (EBPR) wastewater treatment plants In The Netherlands,Water Research, 2008, Vol. 42, No. 12, [9] ŻUBROWSKA-SUDOŁ M., CYGANECKA A., Proces defosfatacji denitryfikacyjnej, jako alternatywna metoda usuwania ze ścieków związków biogennych, Biotechnologia, 2008, Vol. 80, [10] TANDOI V., MAJONE M., MAY J., RAMADORI R.Y., The behaviour of polyphosphate accumulating acinetobacter isolates in an anaerobic-aerobic chemostat, Water Research, 1998, Vol. 32, No. 10, [11] MUSZYŃSKI A, MIELCZAREK A., HALKJAET NIELSEN P., Techniki FISH i PCR w badaniach bakteriiakumulujących polifosforany, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 2011, No. 8, [12] PIASKOWSKI K., OSTROWSKA M,, Wpływ czynników środowiskowych na proces biologicznej defosfatacji, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 2005, Vol. 78, ENHANCED BIOLOGICAL PHOSPHOROUS REMOVAL Phosphorus is a key nutrient that stimulates the growth of algae and other photosynthetic microorganisms and must be removed from wastewater to avoid eutrophication. Enhanced biological phosphorus removal (EBPR) promotes the removal of phosphorus from wastewater without the need for chemical precipitants. Knowledge of the EBPR biocenosis allows proper selection of process parameters. This is one of the essential conditions to ensure the efficiency of biological wastewater treatment system and minimize susceptibilityto external influences. Is it important to complement the control of biological wastewater treatment process for continuous monitoring of the species composition of organisms inhabiting the activated sludge.