1. Wykład 12 – Biologiczne oczyszczanie ścieków i gazów odlotowych
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Parametry technologiczne ścieków
ChZT - chemiczne zapotrzebowanie na tlen
Ilość tlenu potrzebna do całkowitego utlenienia próbki do CO2 i H2O
metodami chemicznymi
Oznaczenie: Próbka gotowane jest 2 h w roztworze zawierającym określoną ilość
K2Cr2O7 w stężonym kwasie siarkowym, w obecności Ag2SO4 i HgSO4. Pozostały
dichromian jest miareczkowany.
BZT – biologiczne zapotrzebowanie na tlen
Ilość tlenu zużywana do utleniania organicznych składników próbki przez
drobnoustroje w niej zawarte.
Oznaczenie wartości BZT5: Próbka inkubowana jest w zamkniętej szczelnie kolbie, w
temperaturze 20° C, przez 5 dni. Następnie oznacza się ilość zużytego tlenu.
Inne parametry: ogólny węgiel organiczny (OWO), azot ogólny (TKN), azot
organiczny, fosfor ogólny, osad ogólny, osad zawieszony
3. Wykład 12 – Biologiczne oczyszczanie ścieków i gazów odlotowych
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
...”The River Thames is the cleanest river in the world that flows through
a major city.
This is a major feat considering that fifty years ago the river was so polluted
that it was declared biologically dead”...
4. Wykład 12 – Biologiczne oczyszczanie ścieków i gazów odlotowych
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
From 1830 to 1860 tens of thousands of people died of cholera as a result
of the pollution in the Thames. Sewage was being discharged directly
into the Thames. Despite the foul smell, people continued to wash, bathe
and drink from the river.
In 1855, a letter from Michael Faraday
in The Times newspaper, London, described
the polluted state of the River Thames
he had observed on a boat trip:
"The whole of the river was an opaque pale
brown fluid. ....... surely the river which flows
for so many miles through London ought not
to be allowed to become a fermenting sewer."
A few years later the curtains in the Houses of Parliament had to be soaked
in lime to stop the odours (bad smells) from preventing government from carrying on.
In 1878 the pleasure steamship Princess Alice sunk in a river collision.
Most of the 600 or so passengers who died did not die from drowning,
they died because of the pollution in the river.
8. Wykład 12 – Biologiczne oczyszczanie ścieków i gazów odlotowych
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Oczyszczanie ścieków z użyciem osadu czynnego
Klasyczny układ bioreaktora
do oczyszczania ścieków
z osadem czynnym
jest przykładem chemostatu
z zawracaniem części populacji
komórek.
Zasada procesu: Ścieki przepływają wzdłuż bioreaktora zawierającego
mieszaną populację drobnoustrojów, które wykorzystują związki
organiczne zawarte w ściekach jako źródło węgla.
materia organiczna + drobnoustroje + O2 → przyrost biomasy + CO2
Odciek z bioreaktora przepływa do odstojnika, gdzie następuje
oddzielenie biomasy i nie zdegradowanego osadu. Około 20% biomasy
jest zawracanej na początek bioreaktora.
9. Wykład 12 – Biologiczne oczyszczanie ścieków i gazów odlotowych
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Mikroorganizmy w osadzie czynnym
1. Bakterie: od 5 × 109 komórek/ml do 1,5 × 1010 komórek/ml.
Dominujące rodzaje: Pseudomonas, Bacillus, Micrococcus,
Alcaligenes, Moraxella, Flavobacterium; bakterie nitryfikacyjne –
Nitrosomonas, Nitrobacter; Thiobacillus
2. Pierwotniaki – orzęski (osiadłe, pełzające, wiciowe, zarodziowe,
wolnopływające), wrotki
Cecha charakterystyczna:
wzrost w postaci kłaczków
(sflokulowany)
Mikroskopowy obraz kłaczka
osadu czynnego
17. Wykład 12 – Biologiczne oczyszczanie ścieków i gazów odlotowych
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Metabolizm azotu amonowego i azotanów w bakteriach
Nitryfikacja
I. Utlenianie azotu amonowego
+ - +
2 NH4 + 3 O2 2 NO2 + 4 H + 2 H2O
Bakterie z rodzajów: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira,
Nitrosocystis. Reakcja jest dwuetapowa i katalizowana kolejno przez
monooksygenazę amonową oraz oksydoreduktazę hydroksyloaminową
II. Utlenianie azotanów(III) do azotanów (V)
- -
2 NO2 + O2 2 NO3
Bakterie z rodzajów: Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira
18. Wykład 12 – Biologiczne oczyszczanie ścieków i gazów odlotowych
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Denitryfikacja
Azotany(V) w środowisku wodnym mogą być redukowane do:
(a) azotu amonowego (szlak asymilacyjny, warunki tlenowe)
(b) tlenków azotu i azotu cząsteczkowego (szlak dysymilacyjny,
warunki anoksyczne). Proces ten nazywany jest denitryfikacją
W obu szlakach I etapem jest redukcja azotanów(V) do azotanów(III)
- + -
3 NO3 + 6 H 3 NO2 + 3 H2O
W szlaku asymilacyjnym reakcję katalizuje reduktaza azotanowa A,
natomiast w szlaku dysymilacyjnym – reduktaza azotanowa B.
19. Wykład 12 – Biologiczne oczyszczanie ścieków i gazów odlotowych
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
II etapem szlaku dysymilacyjnego jest redukcja azotanów(III) do N2.
- +
2 NO2 + 8 H + 6 e- N2 + 4 H2O
Reakcja przebiega w warunkach beztlenowych i jest trójstopniowa.
reduktaza reduktaza reduktaza
azotynowa tlenku azotu tlenku diazotu
- N2O N2
NO2 NO
Donorami elektronów w poszczególnych etapach są związki organiczne,
m.in. metanol. Sumaryczna reakcja ma wówczas postać:
- -
2 NO2 + CH3OH N2 + CO2 + H2O + 2 OH
Zdolność do prowadzenia reakcji denitryfikacji przejawiają bakterie:
Pseudomonas, Alcaligenes, Achromobacter, Arthrobacter,
Flavobacterium, Moraxella, Chromobacterium, Bacillus, Hyphomicrobium
20. Wykład 12 – Biologiczne oczyszczanie ścieków i gazów odlotowych
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wewnątrzkomórkowa kumulacja polifosforanów
Niektóre gatunki drobnoustrojów wykazują zdolność zwiększonego pobierania
fosforanów ze środowiska i ich magazynowania w komórkach w postaci polifosforanów.
(Pi)n
rozpuszczalne
polifosfataza
(Pi)n
nierozpuszczalne
(Pi)n + ATP (Pi)n +1 + ADP
Schemat reakcji katalizowanej przez kinazę
polifosforanową
Pi Pi
ADP kinaza polifosforanowa
błona Mg(II)
komórkowa
Przedstawiony mechanizm akumulacji
ATP
polifosforanów zostaje uruchamiany
kwasy nukleinowe w warunkach niedoboru azotu lub siarki.
Zostaje wówczas zahamowany wzrost
Uproszczony schemat metabolizmu fosforu
w Aeromonas aerogenes komórek i rośnie stosunek ATP/ADP
21. Wykład 12 – Biologiczne oczyszczanie ścieków i gazów odlotowych
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Nowe możliwości eliminacji amoniaku i azotanów
Bakterie Planctomycetes przeprowadzają reakcję:
NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O
Technologia Anammox (anaerobowe utlenianie amoniaku)
Zasada metody: strumień ścieków zawierających związki amonowe
dzieli się na dwa strumienie. Zawartość jednego ze strumieni jest
poddawana nitryfikacji /utlenienie amonu do azotanów(III)/.
Strumień ten jest kierowany do reaktora anaerobowego,
gdzie w wyniku połączenia z drugim strumieniem i aktywności
metabolicznej bakterii Planctomycetes zachodzi reakcja utleniania
amoniaku.
Zalety: znacznie mniejsze zapotrzebowanie na napowietrzanie, brak
konieczności dodawania materii organicznej, redukcja osadu
odpadowego
27. Wykład 12 – Biologiczne oczyszczanie ścieków i gazów odlotowych
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Lotne zanieczyszczenia mogące występować w komunalnych
i przemysłowych gazach odlotowych:
VOC (lotne związki organiczne); CFC (chlorofluorowęglowodory)
H2S; SO2; NOx; NH3;
Metody eliminacji: VOC i CFC– spalarnie, adsorpcja na węglu aktywnym;
SO2 i NOx – absorbcja w alkalicznych roztworach
wodnych i utylizacja powstających soli;
H2S i NH3 – utlenianie do SO2 i NOx, potem j.w.
Żadna z tych metod nie jest uniwersalna i nie prowadzi do całkowitej
eliminacji zanieczyszczeń, a niektóre skutkują powstawaniem nowych
zanieczyszczeń.
Bioremediacja gazów odlotowych
Założenie: zanieczyszczone powietrze wprowadza się do
pojemnika zawierającego wodę (roztwór wodny).
Gazy rozpuszczone w wodzie zostają poddane działaniu
drobnoustrojów, które dokonują całkowitej biotransformacji
do związków nieuciążliwych dla środowiska
32. Wykład 12 – Biologiczne oczyszczanie ścieków i gazów odlotowych
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Główny problem użytkowania biofiltrów to zakwaszenie złoża
filtrującego (H2S → H2SO4; NH3 → HNO3; chloropochodne
organiczne → HCl), co czyni je niekorzystnym dla wzrostu bakterii.
Możliwość zapobiegania zakwaszaniu – kontrola pH poprzez
dodawanie CaCO3 (przykładowo 25 kg węglanu wapnia na m3 złoża
pozwala na utrzymanie pożądanego pH przez 2 miesiące.
Inne wady biofilrów: duża powierzchnia kontaktu, generowanie
nieprzyjemnych zapachów.
Zalety: - niskie koszty; możliwość eliminacji zanieczyszczeń słabo
rozpuszczalnych w wodzie i obecnych w niewielkich
stężeniach*; możliwość zastosowania odpowiednio dobranych
szczepów bakteryjnych do eliminacji specyficznych
zanieczyszczeń.
*Spalanie gazów zawierających 100 ml VOC/m3 wymaga dodania
50 dm3 metanu na m3 gazu. W biofiltrze ten sam efekt bez dodatków.
34. Wykład 12 – Biologiczne oczyszczanie ścieków i gazów odlotowych
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Bioreaktory membranowe dla oczyszczania gazów
a) z biofilmem drobnoustrojów osadzonym na membranie
b) z zawiesiną drobnoustrojów
35. Wykład 12 – Biologiczne oczyszczanie ścieków i gazów odlotowych
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Usuwanie tlenków azotu i siarki z gazów odlotowych
Etapy:
1. Absorpcja w skruberze
zawierającym roztwór
NaHCO3 i Fe(II)EDTA;
2. Biotransformacja tlenków
azotu do N2;
3. Bioredukcja siarczanów(IV)
do siarczków
4. Bioutlenienie do
siarki elementarnej
5. Oddzielenie siarki
