BIOLOGICZNE USUWANIE FOSFORU ZE ŚCIEKÓW

Ewa GALAS, Katarzyna PIEKARSKA* abakterie akumulujące fosfor (PAO),bakterie dpao, defosfatacja,proces EBPR BIOLOGICZNE USUWANIE FOSFORU ZE ŚCIEKÓW Fosfor, podobnie jak azot, jest pierwiastkiem niezbędnym do prawidłowego rozwoju wszystkich organizmów. Przez wiele lat uważano, że oba te pierwiastki w równym stopniu odpowiedzialne są za proces eutrofizacji. Dopiero badania przeprowadzone przez Schindlera wykazały, że w wodach słodkich to fosfor jest pierwiastkiem limitującym wzrost troficzności [1]. Wskutek masowego rozwoju organizmów fitoplanktonowych takich jak sinice i zielenice środowisko wodne staje się szkodliwe dla zamieszkujących je organizmów żywych, a woda niezdatna do spożycia. Z tego powodu należy zwrócić szczególną uwagę na działania pozwalające na obniżenie stężenia fosforu w zbiornikach wodnych. WSTĘP Eutrofizacja może zachodzi z przyczyn naturalnych lub antropogenicznych. Naturalny wzrost troficzności wywołują związki mineralne i materia organiczna spływająca z obszaru zlewni, rozkładana przez mikroorganizmy żyjące w wodzie. Proces ten postępuje bardzo powoli i może trwać nawet kilka tysięcy lat. Eutrofizacja antropogeniczna spowodowana jest przez odprowadzanie nieodpowiednio oczyszczonych ścieków komunalnych i przemysłowych, a także przez spływy z nawożonych gleb rolniczych. Proces ten przebiega bardzo szybko, w przypadku niewielkich zbiorników wodnych całkowita eutrofizacja może nastąpić w czasie kilku lat. Przy ocenie stopnia eutrofizacji wód powierzchniowych płynących stosowane są takie wskaźniki jak: stężenie fosforu ogólnego, azotu ogólnego, azotu azotanowego, azotu azotynowego, chlorofilu A oraz przeźroczystość wody. Przekroczenie wartości stężenia fosforu 0,25mg P/dm 3 klasyfikuję wodę, jako wodę wrażliwą na eutrofizację. W raporcie o stanie czystości rzek w Polsce Państwowej Inspekcji Ochrony Środowiska czytamy, że w okresie od 01.01.2009 do 31.12.2009 na 16 punktów kontrolno- * Politechnika Wrocławska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, ewa.galas@pwr.wroc.pl

164 E. GALAS pomiarowych (ppk) na terenia miasta Wrocławia, aż w 13 ppk stwierdzono przekroczenie wskaźnika fosforu ogólnego. Ponadto, woda we wszystkich tych punktach pomiarowych została uznana za wody wrażliwe na zanieczyszczenia azotowe. Porównując w skali kraju wartość procentową ilości ppk z wodami wrażliwymi w roku 2009 odnotowano niewielki spadek ok. 1% w odniesieniu do roku 2008. Spadek ten jest niewielki, dlatego należy zwrócić szczególną uwagę na ograniczenie ilości doprowadzanego do odbiornika biogenów ze źródeł antropogenicznych [2]. Jak już wspomniano to fosfor jest pierwiastkiem limitującym wzrost trofi w zbiornikach wodnych. Graniczne stężenie, powyżej którego obserwuje się intensywny rozwój glonów wynosi 0,1 gpo 4 /m 3. W Polsce dopuszczalne stężenie fosforu w ściekach oczyszczonych wprowadzanych do wód powierzchniowych dla równoważnej liczby mieszkańców RLM większej od 100 000 wynosi 1,0 gp/m 3 (90% redukcji). Dla porównania w Kanadzie stężenie fosforu w ściekach oczyszczonych odprowadzanych do odbiornika musi mieścić się w przedziale 0,3-0,5 gp/m 3 [3]. W celu przeciwdziałania procesowi eutrofizacji niezmiernie ważne jest zwiększenie efektywności oczyszczania ścieków oraz obniżenie wartości dopuszczalnego stężenia fosforu odprowadzanego do wód powierzchniowych. Ponadto, powinna zostać wprowadzona kontrola zanieczyszczeń u źródła ich powstawania. W ściekach surowych stężenie fosforu waha się od 5 g P/m 3 do 20 g P/m 3, niższe stężenia obserwowane są w ściekach pochodzących z obszarów, na których stosowane są środki piorące nie zawierające fosforanów. Przyjmuje się, że fosfor pochodzący z detergentów stanowi od 50% do 75% całej zawartości tego pierwiastka w ściekach [4]. Dlatego niezmiernie ważne jest wprowadzenie kontroli polegającej np. na zmniejszeniu zużycia środków piorących zwierających fosforany lub ich całkowite wycofanie z użycia, co może przyczynić się do znacznego obniżenia ładunku fosforu w ściekach. 1.USUWANIE FOSFORU ZE ŚCIEKÓW Związki fosforu ze ścieków można usuwać różnymi metodami. Obecnie największym uznaniem cieszą się procesy biologiczne, oparte na działalności mikroorganizmów osadu czynnego. Usuwanie fosforu w konwencjonalnych układach oczyszczania ścieków wykorzystuje zjawisko asymilacji zwykłej, wynikającej z zapotrzebowania fosforu na syntezę nowej biomasy. Proces ten umożliwia obniżenie stężenia fosforu w ściekach oczyszczonych do poziomu 3-15 g P/m3 (redukcja 20%- 30%). Efektywność biologicznego usuwania fosforu można podwyższyć wykorzystując zdolność pewnych grup bakterii heterotroficznych tzw. PAO (ang. Phosphate Accumulating Microorganisms) do nadmiarowego gromadzenia fosforanów w komórkach w postaci ziaren polifosforanowych [5].

Biologiczne usuwanie fosforu ze ścieków 165 1.1. PROCES WZMOŻONEJ BIOLOGICZNNEJ DEFOSFATACJI (ANG. ENHANCED BIOLOGICAL PHOSPHOROUS REMOVAL - EBPR) Proces wzmożonej biologicznej defosfatacji wymaga zapewnienia naprzemiennych warunków beztlenowo-tlenowych lub beztlenowo-anoksycznych, umożliwiających selekcję i rozwój specyficznych drobnoustrojów przejawiających zdolność do magazynowania wewnątrz komórek związków fosforu w ilości kilkukrotnie przekraczającej ich normalne fizjologiczne zapotrzebowanie [3]. Nadmiar fosforu gromadzony jest wewnątrz komórki w postaci polifosforanów. Są to wielkocząsteczkowe biopolimery złożone z kilku do kilkunastu tysięcy reszt fosforanowych połączonych wysokoenergetycznymi wiązaniami fosforanowymi. W komórkach występują w połączeniach z różnymi jonami metali takimi jak: potas, magnez i wapń. Polifosforany służą, jako magazyny energii pozwalające przeżyć bakteriom w warunkach beztlenowych. Związki te mogą być gromadzone w różnych częściach komórek, ale przeważnie występują w postaci ziaren wolutyny w obrębie cytoplazmy [6]. Proces wzmożonej biologicznej defosfatacji rozpoczyna się od fazy beztlenowej, gdzie bakterie poddawane są sytuacji stresowej. W warunkach deficytu tlenowego bakterie 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. W wyniku hydrolizy powstają ortofosforany, które następnie uwalniane są do ścieków, powodując wzrost ich stężenia (rys.1). Rysunek 1. Przebieg biologicznego usunięcia fosforu w wyniku nadmiernego pobierania [12]. W warunkach tlenowych bakterie wykorzystują nagromadzone wcześniej wewnątrz komórek substancje zapasowe (PHB), jako źródło węgla i energii. Część energii wykorzystywana jest do potrzymania procesów życiowych oraz do syntezy nowej biomasy. Natomiast uzyskany jej nadmiar zużywany jest na pobór fosforanów ze ście-

166 E. GALAS ków 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 ta, która została wydzielona w fazie beztlenowej [7]. 1.2. PROCES DEFOSFATACJI DENITRYFIKACYJNEJ Przez wiele lat uważano, że bakterie defosfatacyjne mogą rosnąć i nadmiarowo gromadzić fosfor jedynie w warunkach beztlenowo-tlenowych. Dopiero w latach 80 XXw. odkryto, że jeśli w oczyszczanych ściekach wystąpią azotany, przy braku tlenu rozpuszczonego, bakterie zdolne do nadmiarowego akumulowania fosforanów wykorzystają je, jako akceptory elektronów w procesie utleniania kwasu poli-βhydroksymasłowego (PHB). Dodatkowo okazało się, że w warunkach anoksycznych równocześnie możliwe jest usuwanie fosforu i azotu poprzez redukcję azotanów do azotu gazowego przez denitryfikujące bakterie akumulujące polifosforany tzw. dpao (ang. Denitrification Phosphate Accumulating Microorganisms). Proces defosfatacji denitryfikacyjnej jest bardziej opłacalny. Korzyści wynikają ze znacznie niższego sumarycznego zapotrzebowania na związki węgla, mniejszego zużycia tlenu wykorzystywanego jedynie na potrzeby procesu nitryfikacji i akumulację pozostałych po fazie anoksycznej ortofosforanów oraz mniejszej produkcji osadów. Mniejsze zapotrzebowanie na węgiel organiczny jest szczególnie istotne w przypadku ścieków o wysokim stężeniu związków biogennych w stosunku do węgla organicznego [8]. Należy dążyć do intensyfikacji procesu defosfatacji denitryfikacyjnej w oczyszczalniach przepływowych. 2. BAKTERIE AKUMULUJĄCE POLIFOSFORANY (PAO) Zdolność do gromadzenia fosforanów w ilości znacznie większej, niż jest wymagana do przeżycia komórki posiada wiele mikroorganizmów, zwłaszcza bakterie. Szacuje się, że bakterie kumulują 10 razy więcej fosforu niż cała roślinność Ziemi. Wynika to z odmiennego stosunku C:N:P w biomasie tych organizmów. Zawartość fosforu w mikroorganizmach wynosi od 1,0% do 2,0%, w roślinach zaś od 0,05% do 1,0% [9]. W procesie wzmożonej biologicznej deosfatacji wykorzystywana jest zdolność organizmów osadu czynnego do nadmiarowej akumulacji polifosforanów. Przez wiele lat sądzono, że odkryty przez Fluhs i Chen w 1975 roku szczep Acinetobacter sp. z grupy γ-proteobacteria jest, jako jedyny, odpowiedzialny za proces EBPR. Jednakże, przeprowadzone w późniejszych latach badania wykazały, że nie jest on jedynym

Actinobac teria Bactero idetes Gromada Proteobacteria Biologiczne usuwanie fosforu ze ścieków 167 ani nawet dominującym szczepem, a stanowi zaledwie od 5% do 16% wszystkich organizmów osadu czynnego zdolnych do defosatacji (Cloete 1987). Badania przeprowadzone przez Brodisch i Joyner (1983) potwierdziły, że Acinetobacter nie jest jedynym szczepem zdolnym do prowadzenia procesu EBPR, stwierdzili również, że szczepy z rodziny Aeromonas i Pseudomonas stanowią od 15% do 20% wszystkich kolonii [11]. Bakterie zdolne do akumulowania fosforanów należą m.in. do następujących klas: α-proteobacteria, β-proteobacteria, γ-proteobacteria, Bacteroidia, Actinobacteria [10]. Przykłady szczepów bakterii zdolnych do nadmiarowego gromadzenia fosforanów wewnątrz komórki przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Przykłady szczepów bakterii zdolnych do nadmiarowego gromadzenia fosforanów [3,9,10,11]. Klasa α-proteobacteria β-proteobacteria γ-proteobacteria 1.Bosea thiooxidans, 2.Defluvicoccus vanus, 3.Mesorhizobiu sp. 1.Acidovorax avenae, 2.Dechloromonas sp., 3.Rhodocyclus sp., 4. Lampropedia sp. Klasa Bacteroidia Nostocoida limicola Klasa Actinobacteria 1.Anaeromyxobacter dehalogenas, 2. Pseudomonas sp. 3. Acinetobacter calcoaceticus, 4. Azotobacter agilis 1.Microbacterium nematophilus 2.Pseudonocardia zijingensis Rozwój metod analizy mikrobiologicznej opartych o biologię molekularną umożliwił naukowcom wnikliwsze zbadanie bioróżnorodności bakterii PAO i dpao. Kong i wsp. [11] przy użyciu metody MAR-FISH udowodnili, że Accumulibacter posiada zdolność do nadmiarowego gromadzenia fosforanów z wykorzystaniem, jako akceptorów elektronu, zarówno tlenu, jak i azotanów oraz azotynów. Wang i wsp. (2008) wykorzystali metody PCR i DGGE do zbadania bioróżnorodności bakterii PAO w laboratoryjnym reaktorze SBR zaszczepionym osadem czynnym z Oczyszczalni Ścieków Wenchong w Harbin. W trakcie badań wyizolowano 19 szczepów potencjalnie należących do grupy bakterii zdolnych do defosfatacji. U 12 z nich stwierdzono 94% podobieństwo genetyczne. Sześć szczepów zostało zakwalifi-

168 E. GALAS kowanych do Proteobacterium, w tym 1 do α- Proteobacteria, 2 do β-proteobacteria i 3 do γ-proteobacteria. Dwa spośród wszystkich wyizolowanych szczepów należały do Actinobacteri (Tetrasphaera eleganta) i Gemmatimonadales (Gemmatimonas aurantiaca), 4 szczepów nie zidentyfikowano. Wang i wsp. stwierdzili, że Proteobacterium stanowiły znaczną cześć populacji bakterii PAO w badanym osadzie i odpowiadały za wzrost efektywności usuwania P. Udowodnili również, że wyizolowany podczas badań szczep Tetrasphaera elongata wykazuje zdolność do magazynowania wewnątrz komórek związków fosforu w ilości kilkukrotnie przekraczającej ich normalne fizjologiczne zapotrzebowanie. Naukowcy wykazali również, że Gemmatimonas aurantiaca, mimo, iż występuje w osadzie czynnym w niewielkiej ilości znacznie poprawia efektywność usuwania fosforu [10]. PODSUMOWANIE Przez wiele lat uważano, że w procesie EBPR w osadzie czynnym tylko jedna dominująca grupa bakterii posiada zdolność do nadmiarowego grodzenia fosforanów wewnątrz komórki. Jednakże wiele przeprowadzonych badań, z wykorzystaniem metod inżynierii genetycznej, nad bioróżnorodnością bakterii PAO zaprzeczyło tej tezie. Bakterie odpowiedzialne za proces wzmożonej biologicznej defosfataci nie tylko mogą stanowić niejednorodną grupę, ale mogą również charakteryzować się znaczną zmiennością bioróżnorodności w czasie trwania procesu. Dlatego niezmiernie ważne jest dalsze prowadzenie badań nad bioróżnorodnością bakterii PAO i dpao oraz podejmowanie prób powiązania konkretnych organizmów z ich funkcją w procesie EBPR. Wyniki tych obserwacji mogą być przydatne w zwiększeniu jego efektywności. Zwiększenie efektywności procesu przyniesie zmniejszenie ilości odprowadzanego fosforu do odbiorników, co z kolej przełoży się, na jakość zasobów wodnych. LITERATURA [1] SCHINDLER, D.W., HECKY, R.E., FINDLAY, D.L., STAINTON, M. P., PARKER, B. R., PATERSON, M. J., BEATY, K. G., LYNG, M., and KASIAN S. E. M., 2008, Eutrophication of lakes cannot be controlled by reducing nitrogen input: Results of a 37-year whole-ecosystem experiment. Proceedings of National Academy of Science, 105 (32), 11254-11258 [2] SZCZEPAŃSKI W., JAROSIŃSKI W., DUDEK R., IWANIAK M., MORYC E., MUSIOŁ J., PNIAK G., SOKOŁOWSKA E., WAJDA B., Raport-Stan czystości rzek, 2010, Biblioteka Monitoringu Środowiska, ISBN 978-83-61102-44-1, [3] MIKSCH K., Biotechnologia ścieków, PWN, Warszawa 2010;69-79, [4] DYMACZEWSKI Z., OLESZKIEWICZ, J.A., SOZAŃSKI, M.M., PORADNIK EKSPLOATATORA OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW, PZITS, POZNAŃ 1995;

Biologiczne usuwanie fosforu ze ścieków 169 [5] S.K. WIĄCKOWSKI, PRZYRODNICZE PODSTAWY INŻYNIERII ŚRODOWISKA, STANISŁAW K. WIĄCKOWSKI, KIELCE 2000; 459-470 [6] SANDECKA Z., Podstawy biologicznego oczyszczania ścieków, PWN, Warszawa 2011, 196-219, [7] BASHAN de, L., and BASHAN, Y. 2004, Recent advances in removing phosphorus from wastewater and its future use as fertilizer (1997 2003). Water Research, 38(19); 4222-4246 [8] K. MIKSCH, Biotechnologia środowiska, Fundacja Ekologiczna Silesia, Katowice 1995; [9] M. ŻUBROWSKA-SUDOŁ, A. CYGANECKA, 2008 Proces defosfatacji denitryfikacyjnej, jako alternatywna metoda usuwania ze ścieków związków biogennych, Biotechnologia 1 (80),136-145 [10] ŁOMOTOWSKI J., SZPINDOR A., Nowoczesne systemy oczyszczania ścieków, Arkady Warszawa 1999,163-165 [11] WANG X.., ZHANG K., REN N., LI N. REN L., 2009, Monitoring microbial community structure and succession of an A/O SBR during start-up period using PSC-DGGE, Jurnal of Environmental Sciences, 21(09), 223-228, [12] MINO T., M.C.M. van LOOSDRECHT, J.J. HEIJNEN, Microbiology and biochemistry of the enhanced biological phosphorus removal process, 1998, Wat. Res., 32(11); 3193-3207, [12] http://www.wiedzainfo.pl/biologiczne_metody_usuwania_zwiazkow_biogennych_ze_sciekow. PHOSPHOROUS REMOVAL FROM WASTEWATER Phosphorus is the main factor of eutrophication in water resources. This element derives primarily from inadequately treated municipal and industrial wastewater. Currently, Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR) is the most popular method used in wastewater treatment. The microorganisms primary responsible for the EBPR process are the PAO bacteria (Phosphate Accumulating Organisms), which accumulate excess phosphorus in the form of polyphosphate under alternating anaerobic-aerobic or anoxic conditions. There are many types of bacteria able to store phosphorus as polyphosphates in special granules.