Marta KNAP, Piotr BALBIERZ, Kamil JANIAK * Rodamina WT, badania znacznikowe, osad czynny, biodegradowalność, sorpcja, fotorazkład MOŻLIWOŚĆ WYKORZYSTANIA RODAMINY WT JAKO ZNACZNIKA W BADANIACH CHARAKTERYSTYKI HYDRODYNAMICZNEJ KOMÓR OSADU CZYNNEGO Rodamina WT jest barwnikiem o silnych właściwościach fluorescencyjnych stosowanym w badaniach charakterystyki hydrodynamicznej systemów oczyszczania wody i ścieków. Aby umożliwić prawidłową interpretację eksperymentu znacznikowego, dobry znacznik powinien spełniać szereg kryteriów, do których należą m.in. niewystępowanie zjawiska sorpcji, niepodatność na biodegradację w warunkach pracy badanego reaktora oraz niski próg oznaczalności. W pracy przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych podatności Rodaminy WT na biodegradację i/lub sorpcję na kłaczkach osadu czynnego oraz fotorozkład. Zgodnie z literaturą pomiar fluorescencji najkorzystniej jest wykonywać przy długości fali zapewniającej maksymalne wzbudzenie. Możliwość wyboru dowolnej długości fali wzbudzenia dają jedynie skomplikowane i drogie spektrofluorymetry. Przenośne fluorymetry filtrowe, które umożliwiają wykonywanie pomiarów na miejscu (bez konieczności transportu i przechowywania próbek), wymuszają wykorzystanie długości fali wzbudzenia, wynikającej ze specyfikacji dostępnych na rynku filtrów (zazwyczaj krótszej niż maksimum wzbudzenia Rodaminy WT). Aby ocenić wpływ długości fali wzbudzenia na wartość emisji, porównano wartości emisji zmierzone przy fali wzbudzenia 555 nm, 540 nm i 525 nm, a następnie rozważono wpływ długości fali wzbudzenia na jakość wyników eksperymentu znacznikowego. 1. WSTĘP Odpowiednia dynamika mieszania oraz transport cieczy w reaktorach osadu czynnego należą do grupy najważniejszych czynników warunkujących skuteczną pracę bloku biologicznego. Jednym ze sposobów oceny hydrodynamiki reaktorów są badania znacznikowe. Mogą one być wykonane za pomocą jednej z dwóch metod. Metoda pierwsza zakłada wprowadzenie do badanego reaktora substancji, która naturalnie * Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, pl. Grunwaldzki 9, 50-377 Wrocław.
282 M. KNAP i in. w nim nie występuje czyli znacznika, w metodzie drugiej natomiast wykorzystuje się tę substancję, która występuje w nim naturalnie (pełni ona wtedy rolę znacznika). Analiza krzywej rozkładu stężeń "znacznika" w odpływie z reaktora w czasie pozwala na określenie zastępczego modelu hydrodynamiki badanego systemu, który może być wykorzystany do wyznaczenia objętości "stref martwych", "krótkich spięć" lub przy badaniach symulacyjnych pracy takiego reaktora [1]. Zdecydowanie częściej wykorzystuje się metodę pierwszą. Jej podstawowym atutem jest możliwość wyboru sposobu wprowadzenia znacznika do systemu, wymaga jednak przemyślanego i świadomego wyboru znacznika. Decyzja ta powinna zostać podjęta przed szczegółowym zaplanowaniem eksperymentu, przy uwzględnieniu specyfiki warunków w jakich pracuje badany obiekt oraz właściwości fizykochemicznych rozpatrywanych znaczników. Aby uprościć procedurę wyboru sformułowano kryteria, które powinien spełniać dobry znacznik [2, 3]: własności fizykochemiczne zbliżone do własności ścieków (np. gęstość), niewystępowanie zjawiska sorpcji na kłaczkach osadu czynnego oraz powierzchni infrastruktury reaktora, niepodatność na biodegradację w warunkach pracy badanego reaktora, brak toksyczności w stosowanych stężeniach, łatwy i tani pomiar stężenia, możliwość jednoznacznego określenia stężenia (niski próg oznaczalności), niska cena i dostępność na rynku. Niewiele substancji spełnia wszystkie powyższe wymagania. Do najczęściej stosowanych należą chlorek litu, fluoresceina, Rodamina B oraz Rodamina WT [2, 4]. 2. RODAMINA WT [5] Rodamina WT jest najczęściej stosowanym znacznikiem w badaniach charakterystyki hydrodynamicznej systemów oczyszczania wody i ścieków. Jest to barwnik o silnych właściwościach fluorescencyjnych. Podobnie jak Rodamina B czy Sulforodamina B należy do rodziny zwanej aminoksentenami. Ich nazwa pochodzi od silnie czerwonego zabarwienia. Najistotniejsze informacje dotyczące Rodaminy WT zamieszczono poniżej: C.I. Acid red 388 CAS: 37299-86-8 Wzór chemiczny: C 29 H 29 N 2 NaO 3 Masa cząsteczkowa: 480,55 g/mol Maksimum wzbudzenia: 555 nm Maksimum fluorescencji: 580 nm Rozpuszczalność w wodzie: dobra
Możliwość wykorzystania Rodaminy WT jako znacznika w badaniach charakterystyki 283 Rodamina WT charakteryzuje się niską wrażliwością na światło oraz odczyn ph (maksymalna fluorescencja przy ph pomiędzy 5 a 8). Wg danych literaturowych nie wykazuje również podatności na sorpcję czy biodegradację. 3. METODYKA BADAŃ 3.1. TEST NA BIODEGRADOWALNOŚĆ I SORPCJĘ RODAMINY WT NA KŁACZKACH OSADU CZYNNEGO ORAZ PODATNOŚĆ NA FOTOROZKŁAD Aby zweryfikować dostępne w literaturze informacje w warunkach laboratoryjnych wykonano test, którego celem było zbadanie podatności Rodaminy WT na biodegradację i/lub sorpcję na kłaczkach osadu czynnego (pochodzącego z oczyszczalni ścieków w której planowane są testy znacznikowe). W tym samym eksperymencie zbadano również podatność barwnika na fotorozkład. Do dwóch nienapowietrzanych reaktorów laboratoryjnych (reaktor A i B) o pojemności 1,5 dm 3 każdy, wypełnionych mieszaniną ścieków i osadu czynnego z Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków Janówek, dodano Rodaminę WT w takiej ilości, aby jej stężenie wynosiło 100 µg/dm 3, natychmiast po wymieszaniu z każdego z nich pobrano po dwie próbki zerowe (kontrolne). Kolejne próbki pobrano po 30 min, 1 h, 2 h, 3 h, 4 h, 5 h, 6 h, 7 h, 8 h, 9 h, 10 h i 26 h. Wszystkie próbki przesączono przez sączki miękkie a następnie na Spektrofluorymetrze Fluorolog 3-21 firmy Horiba oznaczono w nich zawartość Rodaminy WT (λ wzbudzenia = 555 nm, λ emisji = 580 nm). Stężenia znacznika w próbkach wyznaczono na podstawie krzywej wzorcowej sporządzonej metodą wielokrotnych rozcieńczeń zgodnie z [6]. W ściekach bytowo-gospodarczych mogą występować substancje, które podobnie jak Rodamina WT posiadają właściwości fluorescencyjne, stanowią one tzw. tło, dlatego przed wyznaczeniem wartości stężeń (na podstawie krzywej wzorcowej) należy od wartości emisji badanej próby odjąć wartość emisji tła. Pobrano trzy próbki tła (zanim mieszaninę ścieków i osadu czynnego rozdzielono na dwa reaktory), z którymi postępowano identycznie jak z próbkami o których mowa powyżej. Reaktor A oraz wszystkie pobrane z niego próbki (również podczas sączenia) osłonięto od światła natomiast reaktor B pozostawiono bez osłony tak aby docierało do niego światło. 3.2. WYZNACZENIE WPŁYWU DŁUGOŚCI FALI WZBUDZENIA NA INTENSYWNOŚĆ EMISJI Przed przystąpieniem do pomiarów spektrofluorymetrycznych sporządzono widmo absorpcyjne Rodaminy WT (rysunek 1.). Na podstawie widma oraz danych literaturowych wybrano długość fali (555 nm) gwarantującą maksymalne wzbudzenie.
284 M. KNAP i in. Aby ocenić wpływ długości fali wzbudzenia na wartość emisji, porównano wartości emisji trzech wzorców, dwóch próbek zerowych z reaktora A oraz dwóch próbek tła, zmierzone przy fali wzbudzenia 555 nm (maksymalne wzbudzenie) oraz 540 nm i 525 nm (długości fal charakterystyczne dla dwóch z dostępnych na rynku filtrów). Dodatkowo w przypadku próbek zerowych oraz tła porównano wartości stężeń wyznaczone na podstawie krzywych wzorcowych (sporządzonych niezależnie dla fali wzbudzenia 555 nm, 540 nm i 525 nm ). Rys. 1. Widmo absorpcyjne Rodaminy WT 4. WYNIKI ORAZ DYSKUSJA 4.1. WYNIKI TESTU NA BIODEGRADOWALNOŚĆ I SORPCJĘ RODAMINY WT NA KŁACZKACH OSADU CZYNNEGO ORAZ PODATNOŚĆ NA FOTOROZKŁAD Według doniesień literaturowych Rodamina WT nie powinna ulegać biodegradacji i/lub sorbować się na kłaczkach osadu czynnego [5], nie znaleziono jednak źródeł, w których zagadnienie to zostało szczegółowo omówione. Wyniki testu na biodegradowalność i sorpcję Rodaminy WT na kłaczkach osadu czynnego pochodzącego z Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków Janówek zaprezentowano na rysunku 2. W obu reaktorach (A i B) zanotowano ubytek stężenie znacznika w czasie trwania eksperymentu (rysunek 3.). Stężenie Rodaminy WT (w próbkach zerowych) było niższe od teoretycznego (wynikającego z ilości dodanego roztworu barwnika) o ok. 10% - reaktor A i 8% - reaktor B. Sugeruje to występowanie natychmiastowej sorpcji barwnika na kłaczkach osadu czynnego i/lub obecność substancji
Możliwość wykorzystania Rodaminy WT jako znacznika w badaniach charakterystyki 285 obniżających intensywność fluorescencji. Największy ubytek stężenia znacznika wynoszący ok 20% zanotowano w 9 i 10 godzinie eksperymentu. Stężenia znacznika wyznaczone w próbkach pochodzących z reaktora A i B nie różnią się znacząco. Największe różnice zanotowano dla próbek po 1 h (ok. 5% wartości stężenia) i 10 h (ok. 4% wartości stężenia). Omawiane różnice wynikają z błędu wykonania oznaczeń oraz niedokładności przygotowania badanych roztworów. Rys. 2. Wyniki testu na biodegradowalność i sorpcję Rodaminy WT na kłaczkach osadu czynnego Rys. 3. Ubytek stężeń znacznika w reaktorach w czasie Na podstawie wyników omawianego eksperymentu oraz wyników testów przeprowadzonych wcześniej (wyników nie opisano w tym opracowaniu) stwierdzono, że Rodamina WT ulega biodegradacji i/lub sorbuje się na kłaczkach osadu czynnego pochodzącego z WOŚ. Nie wyklucza to możliwości użycia jej jako znacznika, wskazane jest jednak uwzględnienie ubytku stężenia w czasie. Atutem Rodaminy WT jest niepodatność na fotorozkład co w znaczący sposób ułatwia prowadzenie eksperymentu znacznikowego oraz przygotowanie próbek do oznaczeń i ich przechowywanie.
286 M. KNAP i in. 4.2. WPŁYW DŁUGOŚCI FALI WZBUDZENIA NA INTENSYWNOŚĆ EMISJI Wiadomo, że pomiary fluorescencji najkorzystniej jest wykonywać przy długości fali zapewniającej maksymalne wzbudzenie. Możliwość wyboru dowolnej długości fali wzbudzenia dają jedynie skomplikowane i drogie spektrofluorymetry. Przenośne fluorymetry filtrowe, których niewątpliwą zaletą jest możliwość wykonywanie pomiarów na miejscu (bez konieczności transportu i przechowywania próbek), wymuszają wykorzystanie fali o długości wynikającej ze specyfikacji dostępnych na rynku filtrów (zazwyczaj krótszej niż maksimum wzbudzenia Rodaminy WT). W tabeli 1. zestawiono wartości emisji wyznaczone przy różnych długościach fali wzbudzenia. Wartości emisji (wzorców oraz próbek zerowych) wyznaczone przy wzbudzeniu falą o długości 540 nm są o prawie 40% niższe, natomiast falą o długości 525 nm o ponad 60% niższe niż przy fali wzbudzenia 555 nm. Wartości stężeń (próbek zerowych) wyznaczone za pomocą krzywych wzorcowych nie różnią się znacząco (w próbkach zmierzonych przy wzbudzeniu falą o długości 540 i 525 nm są o ok 6% niższe niż przy fali 555 nm). Odwrotnie jest w przypadku tła, wartości emisji wyznaczone przy krótszej fali wzbudzenia są o ponad 50% wyższe niż przy wzbudzeniu falą 555 nm. Tabela 1. Zestawienie wartości emisji i stężeń wyznaczonych przy różnych długościach fali wzbudzenia Lp. Nazwa Długość fali wzbudzenia, nm Emisja (próba I) Stężenie Rodaminy WT (próbka I) Emisja (próba II) Stężenie Rodaminy WT (próbka I) 1 555 3432000 - - - Wzorzec 2 100 µg/dm 3 540 2115000 - - - 3 525 1278000 - - - 4 555 2694000 - - - Wzorzec 5 80 µg/dm 3 540 1694000 - - - 6 525 1020000 - - - 7 555 885000 - - - Wzorzec 8 25 µg/dm 3 540 546500 - - - 9 525 329200 - - - 10 555 3066000 89,6 3071000 89,7 Próbka zerowa 11 540 1810000 84,5 1808000 84,4 (Reaktor A) 12 525 1090000 83,7 1104000 84,8 13 555 13500 0,40 14000 0,41 14 Tło 540 20270 0,96 19790 0,93 15 525 20690 1,62 20060 1,57
Możliwość wykorzystania Rodaminy WT jako znacznika w badaniach charakterystyki 287 5. PODSUMOWANIE Mimo, że Rodamina WT ulega biodegradacji i/lub sorbuje się na kłaczkach osadu czynnego pochodzącego z WOŚ, z uwagi na szereg zalet, nie wyklucza to możliwości wykorzystania jej jako znacznika. Aby umożliwić prawidłową interpretację wyników testów znacznikowych wskazane jest uwzględnienie szybkości ubytku barwnika w czasie, wyznaczenie której wymaga przeprowadzenia serii badań. Z uwagi na różnice w składzie osadu czynnego oraz ścieków na różnych oczyszczalniach, konieczne jest aby szybkość ubytku znacznika w czasie wyznaczana była indywidualnie (dla każdego obiektu, na którym planowane są testy znacznikowe). Wykonywanie pomiarów przy wzbudzeniu falą krótszą niż gwarantującą maksymalne wzbudzenie skutkuje uzyskaniem niższych wartości emisji w przypadku próbek zawierających Rodaminę WT i wyższych w przypadku tła. Przy odpowiednim doborze masy znacznika (im krótsza fala wzbudzenia tym większa wymagana masa znacznika) nie wpłynie to na pogorszenie jakości wyników eksperymentu. Konieczność użycia większej masy Rodaminy WT powoduje wzrost kosztów eksperymentu, aby tego uniknąć zaleca się wykonywanie pomiarów przy fali wzbudzenia możliwie jak naj bardziej zbliżonej do optymalnej. LITERATURA [1] HORAN N. J., PARR J., NAYLOR P. J., Evaluation of tracers for the determination of the mixing characteristics of activated sludge reactors, Environmental Technology, 1991, Vol. 12, No. 7, 603 608. [2] METCALF & EDDY, INC., Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, 4th ed., McGraw- Hill, New York, 2004. [3] ILLER E., Badania znacznikowe w inżynierii procesowej, WNT, Warszawa 1992. [4] KONDZIELA A., Hydrauliczna charakterystyka rozpływu strumienia cieczy w reaktorze cyrkulacyjnym, Praca doktorska, Politechnika Gdańska, Gdańsk 2007. [5] KÄSS W., Tracing technique in geohydrology, A.A Balkema, Rotterdam, Brookfield 1998. [6] WILSON JR. J.F., COBB E.D., KILPATRICK F.A., Fluorometric procedures for dye tracing, [w:] Techniques of Water-Resources Investigations of the United States Geological Survey, United States Geological Survey 1986. USE OF RHODAMINE WT IN THE HYDRODYNAMIC STUDIES OF THE ACTIVATED SLUDGE REACTORS Rhodamine WT is a fluorescent dye used in studies of the hydrodynamic characteristics of water and wastewater treatment systems. Good tracer should fulfill several criteria, namely: lack of susceptibility to biodegradation and sorption, and a low threshold of determination. This paper presents results of the laboratory tests of Rhodamine WT susceptibility to biodegradation and/or sorption on activated sludge flocs, as well as photodecay. According to the literature, the fluorescence measurement is preferably
288 M. KNAP i in. performed at the wavelength of maximum excitation. Only the complex and expensive spectrofluorometers give the possibility to choose any excitation wavelength. Portable filter fluorometers that allow to perform measurements on site (without transport and storage of samples), enable only the use of excitation wavelengths provided by filters available on the market (usually shorter than the maximum excitation of rhodamine WT). To assess the effect of excitation wavelength on the emission value, emission values measured at excitation wavelengths of 555nm, 540 nm and 525 nm were compared, and then the influence of excitation wavelength on the quality of results of tracing test was considered.