Download pdf - Biologiczne oczyszczanie cieków i gazów ... - chem.pg.edu.pl · Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika GdaTECHNOńska, LOGIA CHEMICZNAInżynieria Biomedyczna Wykład 12

Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 12 – Biologiczne oczyszczanie ścieków i gazów odlotowych

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. Pozostałydichromian 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



Maksymalne zużycietlenu

Konsekwencje postępującego zanieczyszczenia rzek ściekami



...”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”...



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, describedthe 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.



Charakterystyka ścieków komunalnych

Typowy skład ścieków komunalnych

300 – 1200100 – 35080 – 290250 – 1000110 – 40020 – 8520 - 4212 – 50004 - 15

Osad ogólnyOsad zawieszonyOWOChZTBZT5Azot ogólnyAzot organicznyAmoniakAzotany(III)Azotany(V)Fosfor ogólny

Wartość (mg/dm3)Parametr



Etapy procesu oczyszczania ścieków



Konstrukcja filtru zraszanego do oczyszczania ścieków



Oczyszczanie ścieków z użyciem osadu czynnego

Zasada procesu: Ścieki przepływają wzdłuż bioreaktora zawierającegomieszaną 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.

Klasyczny układ bioreaktora do oczyszczania ścieków z osadem czynnym jest przykładem chemostatu z zawracaniem części populacjikomórek.



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 kłaczkaosadu czynnego



Biowieża



Technologia wirujących biokontaktorów



Reaktor ze złożem fluidalnym



Głębokoszybowy proces oczyszczania ścieków z zastosowaniemreaktora typu air-lift



Schemat reaktora membranowego do oczyszczania ścieków



Technologia ciśnieniowa Unox



Schemat dwustopniowego oczyszczania ścieków, umożliwiającegoprzeprowadzenie nitryfikacji i denitryfikacji



Metabolizm azotu amonowego i azotanów w bakteriach

Nitryfikacja

I. Utlenianie azotu amonowego

NH4+ O2 NO2

- H+ H2O2 ++ 3 2 4 + 2

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)

O2NO2- +2 2 NO3

-

Bakterie z rodzajów: Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira



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)

NO2-H++NO3

-3 6 3 + H2O3

W szlaku asymilacyjnym reakcję katalizuje reduktaza azotanowa A,natomiast w szlaku dysymilacyjnym – reduktaza azotanowa B.



II etapem szlaku dysymilacyjnego jest redukcja azotanów(III) do N2.

2 + + 4+ 6NO2- H+8 e- N2 H2O

Reakcja przebiega w warunkach beztlenowych i jest trójstopniowa.

NO2- NO N2O N2

reduktazaazotynowa

reduktazatlenku azotu

reduktazatlenku diazotu

Donorami elektronów w poszczególnych etapach są związki organiczne,m.in. metanol. Sumaryczna reakcja ma wówczas postać:

2 + ++ 2H2ONO2- N2CH3OH CO2 + OH-

Zdolność do prowadzenia reakcji denitryfikacji przejawiają bakterie:Pseudomonas, Alcaligenes, Achromobacter, Arthrobacter, Flavobacterium, Moraxella, Chromobacterium, Bacillus, Hyphomicrobium



Wewnątrzkomórkowa kumulacja polifosforanówNiektóre gatunki drobnoustrojów wykazują zdolność zwiększonego pobierania fosforanów ze środowiska i ich magazynowania w komórkach w postaci polifosforanów.

Pi Pi

błonakomórkowa

ADP

ATP

kinaza polifosforanowaMg(II)

(Pi)nnierozpuszczalne

rozpuszczalne(Pi)n

polifosfataza

kwasy nukleinowe

(Pi)n + ATP (Pi)n+1 + ADP

Schemat reakcji katalizowanej przez kinazępolifosforanową

Przedstawiony mechanizm akumulacji polifosforanów zostaje uruchamianyw warunkach niedoboru azotu lub siarki.Zostaje wówczas zahamowany wzrost komórek i rośnie stosunek ATP/ADP

Uproszczony schemat metabolizmu fosforu w Aeromonas aerogenes

Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: TECHNOLOGIA CHEMICZNAPodstawy Biotechnologii


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 amonowedzieli 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 aktywnościmetabolicznej bakterii Planctomycetes zachodzi reakcja utleniania amoniaku.Zalety: znacznie mniejsze zapotrzebowanie na napowietrzanie, brakkonieczności dodawania materii organicznej, redukcja osadu odpadowego



Sposoby utylizacji osadów nadmiernych

- składowanie na wysypiskach- spalanie- kompostowanie- wykorzystanie w rolnictwie- fermentacja anaerobowa



Sposoby składowania osadów nadmiernych



Schemat spalarni osadów nadmiernych



Przekrój pryzmy kompostowej





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 całkowitejeliminacji zanieczyszczeń, a niektóre skutkują powstawaniem nowychzanieczyszczeń.

Bioremediacja gazów odlotowychZałożenie: zanieczyszczone powietrze wprowadza się do

pojemnika zawierającego wodę (roztwór wodny).Gazy rozpuszczone w wodzie zostają poddane działaniu drobnoustrojów, które dokonują całkowitej biotransformacjido związków nieuciążliwych dla środowiska



Technologie biologicznego oczyszczania gazów

1. Biofiltr glebowy/kompostowy

2. Biofiltr kolumnowy

3. Biofiltr zraszany

4. Bioskrubery

5. Bioreaktory membranowe



Schemat polowej instalacji biofiltrującej



Biofiltr kolumnowyMateriały wypełnienia: torf, kompost, ścinki kory, gleba



Schemat biofiltru zraszanego



Główny problem użytkowania biofiltrów to zakwaszenie złożafiltrującego (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, generowanienieprzyjemnych zapachów.

Zalety: - niskie koszty; możliwość eliminacji zanieczyszczeń słaborozpuszczalnych w wodzie i obecnych w niewielkichstężeniach*; możliwość zastosowania odpowiednio dobranychszczepów 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.



Schemat bioskrubera do oczyszczania gazów odlotowych



Bioreaktory membranowe dla oczyszczania gazów

a) z biofilmem drobnoustrojów osadzonym na membranieb) z zawiesiną drobnoustrojów



Usuwanie tlenków azotu i siarki z gazów odlotowych

Etapy:

1. Absorpcja w skruberzezawierającym roztwórNaHCO3 i Fe(II)EDTA;

2. Biotransformacja tlenkówazotu do N2;

3. Bioredukcja siarczanów(IV)do siarczków

4. Bioutlenienie do siarki elementarnej

5. Oddzielenie siarki