Wykład 1

ZANIECZYSZCZENIA ŚRODOWISKA

Za zanieczyszczenia środowiska uważany jest każdy czynnik, który powoduje zakłócenie równowagi ekosystemowej i ustąpienie z biocenozy przynajmniej jednego gatunku.

Rodzaje zanieczyszczeń:

• fizyczne (temperatura, promieniowanie)

• chemiczne

• biologiczne

Zanieczyszczenia powodują zmiany w składzie powietrza. Dzielimy je na: PYŁOWE, GAZOWE, AEROZOLOWE (pyły, gazy, dymy, mgły)

• pyłowe - cząstki stałe o wymiarach od setnych części milimetra (0,01mm) do kilku milimetrów - naturalne lub antropogeniczne

• gazowe - CO₂, CO, NO_x, SO, HF, H₂S, węglowodory, substancje radioaktywne - ciężkie do przeciwdziałania bo przez awarię

• aerozolowe - smog kwaśny (przy dużym nasyceniu powietrza tlenkami siarki SO₂ i dużym nasłonecznieniu SO₂ zostaje utleniony doSO₃ a ten reagując z wodą tworzy aerozole kw. Siarkowego)

• naturalne - wybuchy wulkanów (tlenki siarki, węgla, siarkowodór oraz tlenki azotu, SO_x, CO, H₂S, NO, CH₄

• biologiczne - wirusy, bakterie, zarodniki grzybów, pyłki roślin - aerozol biologiczny (faza dyspersyjna to para wodna i ślina)

Źródła pyłów:

• przemysł

• związki siarki

• zw. fluoru, magnezu i inne

• rolnictwo

• zw. azotowe - smog

• silniki spalinowe

• zw. azotowe - smog

• zw. ołowiu

• tlenki węgla

• wulkany

• wszystkie powyższe

Biologiczne oczyszczanie gazów:

1. Biofiltry

2. naturalny nośnik mikroorganizmów

• kompost

• torf

• chrust

• inne

• sztuczny nośnik mikroorganizmów

• tworzywa sztuczne

• materie ceramiczne

2. Płuczki biologiczne

• osad czynny - w wydzielonych urządzeniach lub komorze napowietrzania oczyszczalni ścieków

• złoże biologiczne - w wydzielonych urządzeniach

Oczyszczanie powietrza - biofiltr

• na drodze zanieczyszczonego powietrza stawia się biofiltr i gaz przez niego przepływający jest adsorbowany na filtrze, a mikroorganizmy rozkładają zanieczyszczenia

RYSUNEK

• nośnik jest bardzo ważny dla mikroorganizmów (musi być odpowiednia granulacja, wilgotność (minus naturalnego nośnika= musi być wciąż zwilżany, minus sztucznego= opóźnienie w czasie ze względu na czas w którym mikroorganizmy zostaną namnożone)

Płuczka biologiczna

• zanieczyszczenia gazowe adsorbowane są w płuczce, później płuczka traktowana jest jako ściek i podlega oczyszczeniu

Mikroorganizmy w swoich procesach metabolicznych mogą korzystać z różnych źródeł energii i węgla - TEŻ Z ZANIECZYSZCZEŃ.

Zasoby wodne

Oceany - 96,5% wód, reszta to wody słodkie, z których 70% to lodowce i trwała pokrywa śnieżna. Czas przebywania wody w różnych zb. biol. - kilka godzin, a w wodach podziemnych - setki, tysiące lat.

Uzdatnianie - przywracanie wodzie walorów pozwalających na jej spożycie bądź użytkowanie

Oczyszczanie - przywrócenie (ściekom, odpadom) jakości (walorów), które pozwalają na oddanie jej środowisku bez pogarszania jej jakości

Procesy oczyszczające:

• sedymentacja

• flotacja

• koagulacja

• adsorpcja

• wymiana jonowa

• napowietrzenie i odpędzenie gazów

• utlenianie chemiczne

• procesy membranowe

• dezynfekcja

• filtracja - zapewnia usuwanie z oczyszczanej wody cząstek o średnicy powyżej 0,1um, woda przepływa w określonym kierunku z odpowiednia prędkością przez złożone filtracje

• infiltracja - zachodzi naturalnie w środowisku - ujęcia wody, woda oczyszczana jest w gruncie lub w stawach infiltracyjnych; jest to również metoda zasilania wód podziemnych

MATERIAŁ FILTRACYJNY- piasek kwarcowy, węgiel antracytowy, granulowany węgiel aktywny C₁₄, materiały spiekane, kruszone - granit oraz tworzywa sztuczne o odpowiedniej gęstości.

Materiał filtracyjny musi mieć właściwe:

• uziarnienie

• porowatość

• gęstość

• wytrzymałość mechaniczną na kruszenie i suszenie

• skład chemiczny - taki by brak możliwości ługowania z nich zanieczyszczeń przez przepływającą wodę

FILTRY POSPIESZNE - woda przepływa szybko, nie zachodzą procesy biologiczne.

FILTRY POWOLNE (biologiczne) - zachodzą procesy fizyczne i biologiczne. Na powierzchni i wewnątrz złoża rozwijają się bakterie saprofityczne tworzą błonę biologiczną, nie czyści się tych filtrów jedynie zdejmuje cienką warstwę - około 4 cm.

1gram piasku - 1 mln. Bakterii

Przepływ 0,1 m/h

Gruba Kaśka - ujęcie wody 7 metrów pod oknem rzeki Wisły.

BASEN INFILTRACYJNY - zasilanie wód podziemnych - warstwa nieprzepuszczalna trzeba się przez nią przekopać - warstwa nierozpuszczalna - woda się oczyszcza.

Wykład 2

ZANIECZYSZCZENIA CHEMICZNE

- są rodzajem zanieczyszczeń.

Działanie zanieczyszczeń chemicznych zależy od:

• budowy chemicznej poszczególnych zw. zanieczyszczonych

• reagowanie na czynniki środowiska (odczyn, temperatura itd.)

• podatność na biodegradację i biomineralizację - procesy mikrobiologiczne

• dostępności jako źródeł energii i pierwiastków biogennych

• zdolności do nagromadzania się w środowisku (biokumulacja i migracja w łańcuchu troficznym)oddziaływania toksycznego i mutagennego

• synergistycznego lub antagonistycznego wpływu dwóch różnych na siebie

PODZIAŁ ŚCIEKÓW:

1. Bytowo gospodarcze / 2. Miejskie

• zawierają takie substancje z jakimi sami mamy doczynienia i które produkujemy (komunalne lub miejskie jeśli dodatek zanieczyszczeń z przemysłu)

• związki organiczne: białka, węglowodory, tłuszcze

• związki nieorganiczne: azot amonowy, chlorki, fosforany, potas

Skład bakteriologiczny ścieków komunalnych:

• bakterie chorobotwórcze (miano coli często wynosi 10^-4 - 10^-2)

• jaja pasożytów

• inne chorobotwórcze patogeny

Skład: Nieorganiczne Organiczne BZT₅

Zawiesiny opadające 130 270 130

Zawiesiny nie opadające 70 130 80

Związki rozpuszczone 330 330 150

• azot amonowy 7-8

• chlorki 8-9

• fosforany 1,5-2

• potas 3

• miano coli 5

• ogólna liczba bakterii 10⁵-16⁶ bakterii

• detergenty

• anionowe (np. mydła stearynianowe)

• kationowe

• niejonowe

• polimery etylenu o nierozgałęzionych łańcuchach podatne na rozkłady biologiczne

• środki dezynfekujące ze szpitala

• fosforany - zastępowanie polimerem glinokrzemianu sodu - zeolity

3.Radioaktywne (skażenie radioaktywne) / promieniotwórcze

• powstają w wyniku uwalniania naturalnych izotopów promieniotwórczych podczas spalania węgla, awarii elektrowni atomowych (czasami też sprzęt medyczny i odpady z pracowni)

• promieniowanie

• elektromagnetyczne - nośnikiem energii jest fala elektromagnetyczna (słoneczne, gamma, rentgenowskie)

• korpuskularne (cząsteczkowe) - nośnikiem energi jest cząsteczka materialna (α, β, neutronowe)

• jonowe - jest to rodzaj promieniowania, które w zetknięciu z ośrodkiem materialnym powoduje w nim jonizację bezpośrednio lub pośrednio (rentgenowskie, α, β, elektromagnetyczne)

• nie jonizujące - np. słoneczne, zarówno widzialne jak i podczerwone bądź ultrafioletowe

Ścieki promieniotwórcze

• ścieki te zawierają emitery α, β, γ o okresach półtrwania od 10^-4 sekundy do 10¹⁰ lat

Jednostki - bekerele, greye

1Ci = 3,7*10¹⁰ Bq/rozpad 1g radu

Aktywności:

• wysoka >1Ci/l

• średnia 10^-4- 1Ci/l

• mała < 10^-4 Ci/l

Usuwanie ścieków radioaktywnych:

1. rozcieńczenie do poziomu tła tylko przy niskiej aktywności

2. zatężanie - odparowanie lub wymiana jonowa potem ścieki umieszcza się w mogilnikach odpornych na korozję, które zakopane lub zatopione na wydzielonych terenach

Można do oczyszczania używać (% usuwania)

złoża biologicznego osadu czynnego

¹³¹J do 85 do 99

³²P 20-30 do 45

⁹⁰Sr 10-99 45-80

Czarnobyl - emisja

Stront ⁹⁰Sr - T_1/2 - 30 lat, podobieństwo do Cu, kumulacja w kościach

Cez ¹³⁴Cz - T_1/2 - 2-4 lata

Cez ¹³⁷ - T_1/2 - 30 lat, podobieństwo do potasu, zagrożenie dla układu nerwowego i mięśni

Jod ¹³¹J - T_1/2 - 8 dni, akumulacja w tarczycy

Noc z 25 na 26 kwietnia 1986r.:

• izotopy o aktywności 2x10¹⁸ Bq (¹³¹J, ¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr)

• emisja do 6 maja

• chmurę wykryto 27.04 w Skandynawii

4. Przemysłowe

• organiczne

• nieorganiczne

• mieszane

• są bardzo obciążające dla środowiska

1. Mleczarskie

• odczyn obojętny lub kwaśny wskutek zawartości laktozy szybko fermentują pH spada poniżej 5, następuje sedymentacja kazeiny

• w warunkach beztlenowych wydzielanie amoniaku siarkowodoru

• BZT₅ na poziomie 200-6000 mg O₂/l

• 1m³ serwatki zanieczyszcza odbiornik tak jak100m³ ścieków bytowo gospodarczych

1. Mięsne

• części mięsa, krew, tłuszcz

• duże zużycie wody (15% w całym przemyśle spożywczym)

• obecne chlorki, siarczany, fosforany, azotany

• detergenty

• białka do 3000mg/l

• tłuszcz 2,5g/l

• BZT₅ > 1000mg O₂/l

• ChZT - 8000mg O₂/l

• 1 sztuka bydła - 1,2-1,8 kg tłuszczu

• 1 sztuka nierogaci. - 0,4-0,6 kg tłuszczu

• Krew BZT₅ - 150-200g O₂/l

• Bakterie chorobotwórcze z przewodu pokarmowego (jaja robaków, pasożyty)

c) Cukiernicze

• sezonowość

• duże ilości zawiesin - miazga, ziemia, piasek, resztki buraków

• sacharoza i produkty jej rozkładu, pektyny, białka i inne substancje azotowe, pentozy, sole K, Mg, P, clorki

• łatwo fermentują i gniją

d) Drożdżowe

• ścieki kwaśne, brunatne, niewykorzystane zw. melasy, produkty przemian metabolicznych drożdży, duże ilości zw. koloidalnych białek, zw. siarki, a to powoduje brzydki zapach

e) Owocowo-warzywne

• sezonowość

• cząstki owoców i warzyw, soki

• cukry, białka, zmiana zawartości zw. mineralnych

• ubogie w azot i fosfor (szybko zagniwają) - owoce, warzywa natomiast zawierają dużo zw. N, K, P

• wysokie BZT₅

f) Piwowarskie, słodycze

• skład zależy od produktów i półproduktów

• pH obojętne

• dużo N, P, K - nie zagniwają

g) Spirytusowe

• zużywa dużo wody

• wysokie BZT₅ 50-55mg O₂/l

• zawierają kwasy organiczne - octowy, winowy, masłowy, bursztynowy, jabłkowy

• kw. nikotynowy, foliowy, ryboflawina

h) Ziemniaczany

• zagniwanie i pienienie

• BZT₅ - 3000mg O₂/l

i) Tłuszczowy

• podstawowy surowiec - rzepak

• zagrożenie dla odbiornika -pogarszają się warunki tlenowe, w sieci kanalizacyjnej powodują obrastanie rur

• silne obciążenie: tłuszcze, kwasy organiczne, aldehydy, emulsje, zawiesiny

5. O charakterze mineralnym

• kopalniane

• hutnicze

• zakłady obróbki metali

• z produkcji zw. chemicznych

• nie można ich oczyszczać biologicznie, więc często łączy się je z innymi ściekami

• hutnicze - z hut Fe, stali, walcowni i odlewni - zawiesiny mineralne, tłuszcze, oleje

z hut szkła - bardzo kwaśne

• obróbka metali - Cr, Ni, Pb, Al., Cd, Sn, fosforany, azotany, węglany, chlorki

6. Organiczno-mineralne

• fenolowe - (koksownie, gazownie, produkcja paliw płynnych, produkcja tworzyw sztucznych, przemysł włókienniczy, skórzany),

• związki fenolowe jedno-, wielowodorotlenowe, zw. alifatyczne. zw. siarki, zw. azotowe

• fenol w obecności chloru jest wyczuwalny w bardzo małych stężeniach

7. Rafineryjno-petrochemiczne

• ropa naftowa - rafinerie

• płukanie, usuwanie soli

• destylacja na frakcje

• krakowanie - rozkład termiczny

• produkty poddaje się rafinacji (kwasy, łogi)

• 0,5mg/l ropy naftowej - bardzo wyraźny zapach

• pH - 6,2-10,6

• zw. S, N, P, kkw. organiczne

8. Rolnicze

• spływ z pól uprawnych - mogą zawierać środki ochrony roślin i nawozy sztuczne, dużo zw. azotu i fosforu

• często spływ bezpośredni do rzek i zbiorników wodnych

• trzeba budować rowy opaskowe

9. Opadowe

• zmywanie podczas deszczów i roztopów z ulic (piasek, olej, samochody itd.)

• nie powinny być bezpośrednio kierowane do wód ale oczyszczane też mechanicznie

Wykład 3

WSTĘPNE METODY OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW

Zanieczyszczenia

1. mechaniczne - piasek, cząstki gliny, rudy

2. chemiczne - zw. pochodzenia organicznego lub mineralnego, resztki produkcji roślinnych i zwierzęcych (metody fiz-chem, biol)

3. biologiczne - żywe bakterie, ich zarodniki, jaja robaków pasożytniczych w przewodzie pokarmowym

1. Metody fizyczne

1. cedzenie - kraty, sita - służą do zatrzymywania ciał stałych znajdujących się w ściekach (kraty rzadkie o prześwicie 40-1000mm, średnio gęste 12-40mm, gęste 5-12mm)

2. sedymentacja - piaskowniki, osadniki

• Piaskowniki - za kratami, jeśli ścieki niosą piasek (wyciera on pompy i przewody a przy szybkości przepływu mniejszej niż 0,3 m/sek, może tworzyć zbite złogi, utrudniające przepływanie ścieków)

• Osadniki - usuwają dużą ilość łatwo opadających substancji, szybkość przepływy ścieków zmniejsza się tak, by prąd nie mógł unieść zawiesin

• Typy

• o przepływie pionowym

• o przepływie poziomym

• o promienistym dopływie ścieków

• czas sedymentacji = około 2 godziny

• wielkość osadnika określa się na podstawie prędkości sedymentacji

• flotacja - tłuszczowniki

• działenie wydzielanie na powierzchni ścieków stałych lub ciekłych tłuszczów; możliwe jest to dzięki zmniejszeniu prędkości przepływu ścieków tak aby szybkość unoszenia się ku górze najmniejszych cząstek tłuszczu przekraczała szybkość przepływu ścieków przez tłuszczownik

4. filtracja - odwłókniacze

• w niektórych rodzajach ścieków są duże ilości włókien stanowiących przeszkodę przy oczyszczaniu ścieków

• szczególna forma sita bębnowego; najczęściej stosowane są w cukrowniach, celulozowniach

• mieszalniki - stosowane są gdy ścieki oczyszczane są w procesie koagulacji lub zobojętniania

2. Metody fizykochemiczne

1. neutralizacja (muszą mieć pH 6,5-8,5 aby je oczyścić)

2. wytrącanie

3. redukcja

4. utlenianie

5. filtrowanie

6. ekstrakcja

7. sorpcja

8. koagulacja

9. odgazowanie

10. wymieniacze jonowe

11. chlorowanie i ozonowanie

Neutralizacja - wapno palone, gaszone, CO₂, kw. siarkowy - łączenie kwaśnych związków z zasadowymi w mieszalnikach.

Wytrącanie - zanieczyszczenia rozpuszczone głównie metale ciężkie można wytrącić bo nie mogą być obecne podczas biologicznego oczyszczania.

Redukcja - na drodze chemicznej - dotyczy związków na wysokim stopniu utlenienia, które są szkodliwe (np. chrom na 6 stopniu utlenienia redukowany do 3⁺)

Utlenianie - związki mineralne lub toksyczne, które nie mogą być utleniane w procesach biologicznych a ich obecność poważnie zagraża gospodarce tlenowej wód

Działanie chloru:

• uszkadzanie struktury ściany komórkowej

• działanie bakteriobójcze

• do likwidacji 99% drobnoustrojów w ciągu 10 minut potrzeba wolnego chloru

• do odkażania ścieków 10-30g/m³

• do likwidacji zapachu 4g/m³

• do odkażania biologicznie oczyszczanych ścieków 2g/m³

• do wody raczej 1g/m³

• obecnie wprowadzono czynnik CT (ile użyć chloru)

Ozon:

• inaktywacja bakterii i wirusów 0,3-1mg/l

• usuwanie zapachu i smaku

• redukcja barwy

• utlenianie fenoli

• plus nie musi być usuwany i dodatkowo natlenia wodę

3. Metody biologiczne

• Naturalne

• stawy biologiczne (aero- i anaerobowe)

• stawy rybne

• nawadnianie użytków rolnych

• pola filtracyjne

• filtry piaskowe

• Sztuczne

• osad czynny

• złoża biologiczne

• metody beztlenowe

STAWY BIOLOGICZNE

• Stawy utleniania

• tlen pochodzi ze źródeł naturalnych (z powietrza lub wytwarzany przez glony)

• głównie płytkie do 1,2m

• około 20m²/1 mieszkańca

• 1ha/50 mieszkańców

• Stawy napowietrzane

• 5-10x większa zdolność oczyszczania

• napowietrzanie mechaniczne (można stosować mniejsze i głębsze zbiorniki)

• czas przebywania ścieków w stawach ulega skróceniu z kilku tygodni do kilku dni

• Stawy anaerobowe

• głębokość 2-5m

• ścieki łatwo fermentujące

• Stawy tlenowo beztlenowe

• głębokość 2m

• na powierzchni dobre warunki tlenowe

• przy dnie warunki beztlenowe

STAWY RYBNE

• głębokość 0,5-1m

• stężenie tlenu 3-4mg/l

• obciążenie 7g BZT₅/m²/d

• ścieki doprowadza się tylko w dzień

• rozcieńczanie ścieków czystą wodą 1:5

• przyrost ryb w ciągu roku 500kg/ha

NAWADNIANIE UŻYTKÓW ROLNYCH

• oczyszczanie ścieków

• nawadnianie pól

• nawożenie pól

Ścieki po usunięciu zawiesin i tłuszczu, bez substancji toksycznych. Ścieki z przetwórstwa owocowo-warzywnego, ścieki bytowe.

W zależności od roli jaką spełnia nawożenie ściekami (czy metoda oczyszczania, czy służy nawadnianiu bądź nawożeniu) możemy rozróżnić 3 rodzaje:

• pola nawadniane

• pola irygowane

• pola filtracyjne

Pola nawadniane:

• nawadnianie szerokoprzestrzenne

• rolnicze wykorzystywanie ścieków - maksymalne wykorzystanie ich właściwości nawadniających i nawożących

• gleby różnego rodzaju i różne systemy nawadniania

• niewielkie obciążenie hydrologiczne

• nie ulegają drenowaniu

• różne sposoby nawadniania

• zalewanie - gleby średnio przepuszczalne, płaskie ukształtowanie terenu

• bruzdy - poziome nasiąkanie gleby

• podgruntowe - ścieki wprowadza się za pomocą podziemnych rurociągów

• rozdeszczenie - za pomocą zraszaczy

• stokowe

Pola irygacyjne:

• grunty przepuszczalne i przewiewne

• nawadnianie łąk i pastwisk

• 1000mm/rok

Pola filtracyjne (filtry gruntowe):

• na glebach piaszczystych

• kwatery 0,25-04 ha

• warstwa ścieków 5-10 cm (w zimie 20-30)

Stopień oczyszczania ścieków zależy od:

• rodzaju gruntu

• wysokości dawek ścieków

• częstotliwości nawadniania

• stosowanej metody nawadniania

Zmęczenie gleby

• zmniejszone plony roślin

• miejsca słabo porośnięte lub puste

• dużo chwastów

• wzrost kwasowości

FILTRY PIASKOWE

• kwatery usypane z piasku i żwiru

• uzupełnienie metod sztucznych i biologicznych

Wartość nawożenia ścieków:

Ścieki bytowe N:P:K = 4:1:3

• dla traw 3,3:1:3,3

• dla ziemniaków 2,5:1:4,2

• dla buraków 2,3:1:3,2

Na oczyszczenie 1000m³ ścieków w ciągu doby potrzeba:

• 14-67 ha pól nawadnianych

• 1,35-3,35 ha filtrów piaskowych oczyszcz. w osadniku

• 0,27-0,67 ha filtrów dla ścieków oczyszczanych biologicznie

Wykład 4

TLENOWE METODY OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW

Naturalne

• osad czynny - mikroorganizmy w skupiskach - kłaczkach: muszą być tak zbudowane by łatwo było je oddzielać z osadów oczyszczonych (te kłaczki). Jest to skuteczna metoda do oczyszczania różnego rodzaju ścieków i różnej ich ilości.

Pierwsze oczyszczanie ścieków:

• USA - 1920-26

• Europa - 1916 (Anglia)

1926 (Niemcy)

• Polska - 1937 - oczyszczalnia ścieków komunalnych w Kielcach, oraz w Wolnym Mieście Gdańsk (obie pracują do dziś)

Urządzenia do hodowli osadu czynnego (ważniejsze są urządzenia od samej biologii)

• komory lub reaktory

• urządzenia do napowietrzania

• osadniki różnych typów

RYSUNEK (Tomek)

Fazy oczyszczania:

• zatrzymanie zanieczyszczeń przez mikroorganizmy

• bezpośrednie utlenianie zanieczyszczeń przy udziale enzymów

Podczas oczyszczania osadem czynnym nie następuje oczyszczanie ze związków mineralnych (oprócz N i P)

O wyborze technologii decyduje:

• ilość ścieków (przepływ/dobę)

• rodzaj ścieków

• zmienność substratów

• zmienność stężenia substratów

Ustala się:

• wielkość komory napowietrzania

• typ i kształt komory

• wybór systemu napowietrzania

• wielkość osadników (wstępnego i wtórnego)

Komory napowietrzania

Hydraulika:

• komory pełnego mieszania (reaktory homogenie)

• ograniczone mieszanie (reaktory heterogenne)

Konstrukcja:

• przekrój poprzeczny prostokątny (napowietrzanie sprzężonym powietrzem)

• specjalny kształt (przy różnych sposobach napowietrzania urządzeniami technicznymi)

1. Komory napowietrzania sprzężonym powietrzem

1. bruzdowo-grzbietowe - równomierne napowietrzanie, wzdłuż całego dna ruszt, równolegle na całej powierzchni

2. o przekroju spiralnym - ruszt położony na dnie, ale nie całym - wzdłuż jednej ściany

3. system Inka - ruszt położony jest w pełnej odległości od powierzchni ścieków, na ¹/₃ powierzchni ze ściana boczną

2. Komory o specjalnych kształtach

1. system Kessenera (szczotki) - specjalnie wyprofilowane dno, ta sama zasada działania

2. komory cyrkulacyjne - w terenie, założona szczotka obraca się, wprawia w ruch ścieki po wyłączeniu osad opada, wypuszczamy oczyszczone ścieki, wpuszczamy nowe i włączamy szczotki osad czynny się unosi i pracuje

3. komory zespołowe

Urządzenia mechaniczne:

• z poziomą osią wirników - mieszadła Hawortha i szczotki Kessenera

• z pionową osią wirników - powierzchniowe aeratory turbinowe z pojedynczymi wirnikami i z wirnikami obudowanymi

Napowietrzanie sprzężonym powietrzem - w formie małych banieczek (dyfurury), średnich (rury perforowane), dużych (pionowe rury otwarte w dół)

Osadniki wtórne - na drodze sedymentacji usuwane są kłaczki osadu czynnego, zarówno o przepływie pionowym i poziomym (prostokątne i radialne)

W tych samych urządzeniach mogą znaleźć się bakterie nitryfikujące w części gdzie jest tlen i denitryfikujące w części beztlenowej (tam gdzie nie zachodzi mieszanie)

Wysoko obciążony osad nadmierny przyrost osadu czynnego

Nisko obciążony osad zmniejszenie ilości osadu nadmiernego i samoutlenianie

Obciążenie komory niskie - 500-700 g BZT₅/m²

Obciążenie komory wysokie - 2,5 kg BZT₅/m³/d

Metody częściowego utleniania:

• sprawność 50-70%

• osadu mało, duże obciążenie

Metody pełnego utleniania:

• mała ilość ścieków, ścieki podawane w sposób okresowy, nie ciągły, duża wydajność

Wykład 5

Za oczyszczanie w metodzie osadu czynnego odpowiedzialne są bakterie w błonkach, a także ważną rolę pełnią pierwotniaki, mogą też w skład wchodzić organizmy wyższe (nicienie, wrotki), niepożądane są grzyby.

Objętość komory 1200m³, tyle też ma osadnik.

Parametry technologiczne w procesie oczyszczania ścieków:

• czas oczyszczania ścieków = retencja hydrauliczna

m³(objętość komory)/przepływ = godz., doby

• sucha masa osadu czynnego

• obciążenie hydrauliczne m³/(m³*kg*godz/doba)

• obciążenie substratowe

• obciążenie osadu ładunkiem zanieczyszczeń kg BZT₅,ChZT/m³*godz/doba

• praca osadu - iloczyn zawartości osadu i czasu napowietrzania (4 dni - najlepszy osad czynny)

• osad czynny nadmierny

• osad czynny regulacyjny

Czynniki fizyko-chemiczne wpływające na organizmy osadu czynnego;

1. Fizyczne

1. temperatura środowiska (zimą wydajność będzie mniejsza, dlatego trzeba poprawić inne czynniki; 100% wydajności w temp. 25^o, jeśli temp. Spadnie o 5^o to wydajność będzie 75%)

2. odczyn

3. potencjał oksydo-redukcyjny

4. aeracja

5. mieszanie

6. turbulencja

2. Chemiczne

1. Substancje pokarmowe

2. Substancje szkodliwe i trujące

ODCZYN

Bakterie mogą rosnąć w pH od 6 do 9 ale np. bakterie nitkowate lupią pH od 7 do 9, przy pH 5-6 możemy spodziewać się grzybów. Pierwotniaki w pH 6-8. Produkcja kwasu niezbędnego do tworzenia kłaczków musi zachodzić w pH od 7,5 do 8,5. W trakcie powstaje CO₂, ale jeśli jest go za dużo to utrudnione jest rozpuszczanie O₂.

POTENCJAŁ OKSYDO-REDUKCYJNY

Musimy zapewnić warunki oksydacyjne, nie może być warunków redukcyjnych. Potencjał mierzymy z błękitem metylenowym, jeśli się odbarwi tzn., że mamy warunki redukcyjne. Kanały odprowadzające ścieki muszą być napowietrzane, aby nie powstał potencjał redukcyjny

MIESZANIE i TURBULENCJA

Zapewniamy dobre napowietrzenie. Tlenu nie może być mniej niż 2 mg/l, w kłaczku nie może być mniej niż 0,1 mg/l. Oprócz tego że napowietrzanie musi dostarczyć odpowiedniej ilości tlenu to musi też zapewnić dobre mieszanie i turbulencję, tak aby osad nie zalegał na dnie, bo wtedy powstały by tam warunki beztlenowe. Osad musi cały czas być zawieszony, aby mieć dobry dostęp do rozpuszczonych zanieczyszczeń.

SUBSTANCJE SZKODLIWE I TRUJĄCE

• aniony ]

• sód ]

• chlor ]

• cyjanki ]>>substancje trujące dla bakterii

• rodanki ]

• zw. aromatyczne ]

• nitrozwiązki ]

mikroorganizmy będą sobie radziły z substancjami toksycznymi, bo potrafią się adaptować i wykorzystywać je jako akceptory. Dlatego można używać metody osadu czynnego do oczyszczania ścieków z substancji toksycznych.

Czynniki wpływające na przebieg procesu oczyszczania:

• obciążenie ściekami (substratowe i hydrauliczne)

• skład ścieków - czy są w nich substancje toksyczne

• pH

• temperatura

• obecność w ściekach azotu i fosforu (do ścieków przemysłowych trzeba dodawać N i P; w ściekach komunalnych jest nadmiar N i P, dlatego dobrze jest je mieszać z przemysłowymi ). Takie powinny być stosunki:

• 17:1 BZT₅ do azotu

• 90;1 BZT₅ do fosforu

• natlenienie

• zasolenie (nadmierne będzie zaburzało powstawanie i utrzymywanie się kłaczków)

Usuwanie nadmiaru osadu (metody stosowane najczęściej:

• suszenie (osad wylewa się na laguny, gdzie schnie, potem może być wykorzystywany w budownictwie, a jeżeli nie zawiera substancji toksycznych to jest bardzo dobrym nawozem)

• autooksydacja (tak prowadzimy oczyszczalnie, że osad nadmierny nie powstaje, albo odprowadza się go do innego naczynia, gdzie się go natlenia, a on sam się zjada, może służyć jako pożywka N i P)

• spalanie (jeśli osad jest bardzo zaolejony to się go spala w specjalnych piecach

Nadmierny osad można poddawać fermentacji do biogazu, który może być wykorzystywany do oświetlania oczyszczalni.

OSAD CZYNNY

• 1m³ osadu powierzchnia około 1750 m² (proces jest taki wydajny, ponieważ powierzchnia jest taka duża)

• jest bardzo dobrą metodą do usuwania bakterii chorobotwórczych (po 1 godzinie redukcja wynosi już 52%, a po 5 98%)

• jest to też dobra metoda do usuwania pierwiastków promieniotwórczych

• w niewielkim stopniu usuwa zawiesinę, służy głównie do usuwania substancji rozpuszczalnych

• musi być dobrze napowietrzony, aby móc dobrze pracować

• obniżenie temperatury jest dla niego gorsze niż podwyższenie

• osad spuchnięty może zostać wymieszany ze ściekami oczyszczonymi

• jest bardzo wrażliwy na szok obciążeniowy

• wiek osadu czynnego jest bardzo ważny (stary źle pracuje)

Złoża biologiczne

- są to pojemniki z różnym wypełnieniem, przez które przepływają ścieki. Przepływają one przez błonę biologiczną, która działa jak osad czynny. Jest to dobra metoda do oczyszczania różnych typów ścieków.

• złoża zraszane

• ścieki jak deszcz opadają na błonę

• nisko obciążeniowe

• wysoko obciążeniowe (spłukiwane

• złoża zanurzone

• złoża płytowo zanurzeniowe (np. anammox)

• walcowe

Materiał wypełniający złoże:

• żużel

• granit

• inne materiały sztuczne

Grubość błony biologicznej musi być taka, aby złoże nie było zatykane, szczeliny powinny być na tyle durze, aby ścieki mogły stale przepływać.

Parametry wpływające na efekt oczyszczania:

• obciążenie ładunkiem zanieczyszczeń w gramach BZT₅/m³/dzień

• obciążenie hydrauliczne (taki przepływ, żeby nie zerwać błony biologicznej)

• temperatura (obniżenie temperatury zmniejsza wydajność)

• stężenie i rodzaj ścieków

• natlenienie złoża

• budowa złoża (od niej zależy natlenienie)

Skład biologiczny błony:

• bakterie jak w osadzie czynnym, ale nie przeszkadzają bakterie nitkowate (scalają błonę) ani grzyby

• na powierzchni glony (sinice)

• pierwiastki jak w osadzie

• organizmy wyższe

• nicienie ]

• pajęczaki ]>>równowaga zabezpiecza złoże przed zapychaniem

• larwy muchówki ]

Podział złóż ze względu na obciążenie:

• złoże niskoobciążone

• do 200 g BZT₅/m³/d

• wysokość 1,5-2 m (niskie)

• umiarkowanie nieduże do 90 mm

• złoże średnioobciążone

• 300-450 BZT₅/m³/d

• 2x bardziej obciążone niż poprzednie

• często pracują dwupiętrowo (naprzemienna praca złóż) - zapobiega to zapychaniu, nadmiernemu przyrostowi błon

• złoże wysokoobciążone

• 450-800 BZT₅/m₃/d

• wysokość 8-20 m

• równomierny dopływ ścieków niezbyt stężonych

• złoże bardzo obciążone

• 1000 g BZT₅/m³/d

• 4 nałożone jedno na drugim

• złoża wierzowe, bardzo wydajne, zajmują mało miejsca

• złoża fluidalne

• ogromna powierzchnia

• materiał wypełniający piasek

• podczas napowietrzania ziarenka piasku obrośnięte błoną są wypuszczane do góry

Procesy w złożach:

rozkład zanieczyszczeń przyrasta błona biologiczna może powstać środ. Beztlenowe (rozkład beztlenowy zanieczyszczeń)

w strefie tlenowej dalszy rozkład

Wykład 6

MAKROFITY

1. Do usunięcia zanieczyszczeń stosuje się celowo zbudowane obiekty symulujące pracę ekosystemów bagiennych; są to oczyszczalnie (bagienne, hydrobotaniczne, trzcinowe):

• oczyszczanie korzeniowe

• złoża trzcinowe

• filtry gruntowo-roślinne

• oczyszczalnie glebowo-roślinne

2. Makrofity - działanie:

• biosorpcja - usuwanie zawiesin

• biokumulacja - usuwanie zawiesin (np. metali ciężkich)

• immobilizacja - w systemie korzeniowym stwierdzono dobre warunki wzrostu

Makrofity mogą być wykorzystywane do oczyszczania różnych ścieków np. komunalnych, spożywczych, rafineryjnych, z metalami ciężkimi.

3. Rozwiązania techniczne oczyszczania ścieków metodą hydrofitową;

• baseny z roślinnością wodną pływającą

• baseny z roślinnością wodną zanurzoną

• baseny ziemno-wodne z roślinnością wynurzoną

4. Rola makrofitów:

• rośliny pływające (pleustonowe)

• rośliny zanurzone (elodeidy)

• rośliny wynurzone (helofity)

Wiele z nich lubi silnie zeutrofizowane siedliska, co wykorzystuje się w oczyszczaniu.

5. Gatunki makrofitów

• trzcina

• pałka

• oczeret

• tatarak

• kosaciec

• jeżogłówka

• manna mielec

6. Systemy korzeniowe

• sitowie (Scirpus lacustris)

• trzcinowe (Typha latifolia) - taka może działać przez cały rok, ma bardzo dobrze rozbudowany system korzeniowy, długie dęte kłącza i korzenie, przerastające złoże nawet do 2 metrów. Czasem warstwa korzeni jest większa niż samych pędów.

7. Pobieranie substancji mineralnych:

• wynurzone - system korzeniowy (pałka, trzcina)

• pływające - rzęsa, hiacynt wodny

• zanurzone - moczarka, rogatek

8. Ogólne oczyszczanie roślinne możemy podzielić na:

• przepływ ścieków

• powierzchniowy

• podpowierzchniowy

• kombinowany

• roślinność

• bagienna

• wodna zakorzeniona

• wodna pływająca

• oczyszczalnia wierzbowa

• przepływ

• poziomy

• pionowy

• mieszany

W takich oczyszczalniach bakterie rozkładają substancje organiczne zaś rośliny substancje biogenne metale ciężkie.

9. Zastosowanie oczyszczalni roślinnych:

• podczyszczanie wód opadowych

• ochrona ujęć wodnych

• trzeci stopień oczyszczania ścieków dla dużych oczyszczalni

• podczyszczanie ścieków specyficznych np. odcieków ze składowisk odpadów

10. Działanie:

• sedymentacja, filtracja, sorpcja zanieczyszczeń

• rozkład materiałów organicznych

• mikrobiologiczne przemiany związków

• sorpcja i wytrącanie fosforu

• wchłanianie związków biogennych i metali ciężkich

• spulchnianie podłoża

• pobór znacznej ilości wody, zwiększa parowanie i zmniejsza ilość ścieków

11. Nitryfikacja

NH₄⁺ + 1,5O₂ NO₂ + H₂O + 2H⁺ + energia 273 kJ

NO₂^- + 0,5O₂ NO₃^- +73 kJ/mol

NH₄⁺ + 2O₂ NO₂ + 2H⁺ + H₂O + energia

Budowę biomasy bakterii nitryfikacyjnych węgiel z CO₂ lub węglanów, a podczas biosyntezy uwalniania tlenu.

4CO₂ + HCO₃^- + NH₄ + H₂O C₂H₇NO₂ + 5O₂

Przez utlenianie 1 mola NH₄/1mola NO₃ często uzyskuje się znacznie mniej energii niż potrzeba do wytworzenia 1 mola biomasy.

1 mol NH₄ = 0,021 mola biomasy (dlatego bakteriom trzeba zapewnić odpowiednie warunki)

Optymalne pH - 7,5-8,5

Nadmiar fosforanów zostanie zgromadzony jako polifosforan. Sposoby gromadzenia:

1. nadkompensacja - wtedy, gdy po okresie niedoboru fosforanów mikroorganizmy znów otrzymają do dyspozycji niezbędną ilość fosforanów; w trakcie wzrostu polifosforany ulegają ponownemu rozkładowi i służą głównie do syntezy komórek zawierających fosforany; ten sposób występuje w wodach powierzchniowych, gdy zimno

2. zwiększone wchłanianie - komórki przyjmują fosforany w ilościach większych niż to konieczne do ich rozwoju, nawet bez uprzedniego niedoboru; nadmiar również gromadzony jako polifosforan; polifosforan w trakcie wzrostu (w przeciwieństwie do nadkompesacji) nie ulega rozkładowi; ten sposób wchłaniania występuje wtedy, gdy wzrost limitowany jest niedoborem azotu lub siarki

Wiązanie fosforu:

• wymaga wprowadzania warunków beztlenowych lub przemiennego mieszania osadu czynnego

• w warunkach beztlenowych - uwalnianie do ścieków

• w warunkach tlenowych - strącanie

• wtórne wiązanie fosforu można zwiększyć przez dodanie łatwo rozkładalnych substancji

• obecność azotanów, wtórne rozpuszczanie fosforanu.

Wykład 7

OCZYSZCZANIE BEZTLENOWE

Oczyszczanie organiczne - np. z rozkładów przetwórniczych, przemysłu owocowo-warzywnego, mięsnego czy mleczarskiego

Zawierają związki organiczne:

• łatwo rozkładane przez mikroorganizmy (węglowodory, kw. org., białka)

• trudno poddające się biodegradacji

Oczyszczanie biologiczne - rozkład zw. organicznych zawartych w ściekach przy udziale mikroorganizmów lub usuwanie zanieczyszczeń nieorganicznych.

Oddychanie tlenowe

- liczne organizmy heterotroficzne zużywają O₂ jako ostateczny akceptor elektronów w procesie utleniania, jest to reakcja dostarczania energii wymagająca tlenu jako końcowego akceptora e^-.

Zysk energetyczny - 470 kJ = 36 ATP

Metabolizm tlenowy

substr. Org. energia

synteza

Ilość energii wydzielającej się w procesie tlenowym jest duża i wskutek tego co najmniej 50% masy substratu może być zużyte w procesie syntezy biomasy komórek.

Akceptory elektronów:

• tlen

• związek organiczny lub nieorganiczny

• egzogenne

• NO_3, NO_2, SO_4, SO₂

• endogenne

• związki organiczne

Oddychanie beztlenowe

- to reakcja dostarczająca energii, w której jako końcowe akceptory elektronów wykorzystywane są egzogenne związki nieorganiczne:NO₃^-, SO₄^2-, CO₂

Fermentacja:

• w jej wyniku powstają produkty niepełnego utleniania, efekt energetyczny takiego procesu jest mały i wynosi 5-10% energii swobodnej substratu

• fermentacja to sposób oddychania beztlenowego, w którym egzogenne związki organiczne są donorem elektronów, zaś endogenne akceptorem elektronów.

• w procesie fermentacji zwykle obok dużej ilości CO₂ powstaną różne produkty końcowe: kw. org., alkohole, H₂, które nie mogą być dalej metabolizowane bez udziału tlenu.

• w warunkach beztlenowych, materia organiczna rozkładana jest do CH₂ i CO₂, uczestniczą w tym:

1.bakterie fermentacyjne

2.archeony metanogenne

4,5.bakterie octogenne

RYSUNEK (Tomek)

Pierwsze etapy - hydroliza i mineralizacja (octogenaza)

W procesie mineralizacji materii organicznej bierze udział wiele:

1. archeony metanogenne

2. bakterie fermentacyjne

3. bakterie denitryfikacyjne

4. bakterie redukujące siarczany

5. bakterie octogenne

Połowa materii organicznej jest mineralizowana przez organizmy beztlenowe z produkcji CH₄.

Procesy oczyszczania:

1. metanogeneza

2. denitryfikacja

3. redukcja siarczanów

4. annamox

Ad 1) metanogeneza

1. organiczne ścieki przemysłowe (spożywcze, papiernicze, mleczarskie, cukiernicze)

2. osadów ścieków

3. ścieków zawierających zw. fenolu i ropopochodne

4. odpady org. - komunalne, rolnicze, przemysłowe

Etapy:

• hydroliza

• fermentacja

• octogeneza

• metanogeneza

Archeony

• grupy fizjologiczne beztlenowców bezwzględnych, chemolitotrofów nie rozkłada węglowodorów ani białek

• energię potrzebną do wzrostu uzyskuje przez:

• utworzenie CH₄ z utl. H₂ ]

• redukcja CO₂ do kwm mrówkowego ]>> najwięcej energii max 130 kJ

• rozkładu kw. octowego

• do tej pory odkryto 23 gatunki w 4 rzędach

Na przebieg procesu wpływają czynniki:

• obecność tlenu

• temperatura (4^o-100^oC)

• pH 6-8

• obecność czynników toksycznych

• metanogenezę hamuje obecność azotanów, siarczanów i metali ciężkich

• mieszanie

• zaszczepienie zawartości komór

Archeony dzielimy na 3 grupy ekologiczne:

1. występują:

• W mułach i osadach na polach ryżowych

• W osadach dennych

• W komorach fermentacyjnych

• Materia organiczna rozkładana całkowicie

2. Rozkładające materię organiczną w przewodzie pokarmowym, występują w przewodzie pokarmowym ludzi i zwierząt - proces mineralizacji jest tu niepełny i niecałkowity, wielkość pozostałych produktów pośrednich (np. kw. tłuszczowe) jest resorbowane przez mikroorganizmy

3. Przebieg metanogenezy w źródłach termalnych - wykorzystuje ????? powstające w procesach przy braku materii organicznej

Biogaz - gaz powstający w czasie procesu fermentacji metanowej, składa się z CH₄, CO₂, dodatkowo w skład może wchodzić N₂, H₂S, H₂ (zawartość tych domieszek nie przekracza kilku procent)

Europa - głównie Wielka Brytania, Niemcy

Biogaz wysypiskowy

WYKRES (Tomek)

Efekty:

• wzrost w atmosferze CO₂, CH₄ efekt cieplarniany

• zanieczyszczenie atmosfery substancjami szkodliwymi

• możliwość wybuchu

Metan

• 22x większy wpływ niż CO₂

• Średnia zawartość w atmosferze to 1,7 ppm

• w ciągu 200 lat jego stężenie wzrosło dwukrotnie

Występowanie

• pokłady węgla kamiennego

• wysypiska 52% CH₄, 44% CO₂, 1,5% H₂

• przewód pokarmowy zwierząt - 6%

Wykład 8

OCZYSZCZANIE BEZTLENOWE CD. - DENITRYFIKACJA

Mikroorganizmy denitryfikacyjne to fakultatywne beztlenowce zdolne do tak zwanego oddychania „azotanowego”

• w warunkach beztlenowych jako akceptor e^- wykorzystują NO₃^- i/lub NO₂^-

• w warunkach tlenowych akceptorem jest O₂

• dwa produkty pośrednie powstałe w czasie redukcji azotanów - azotyny oraz tlenek azotu - działają toksycznie na mikroorganizmy zasiedlające środowisko

Denitryfikacja - typ oddychania beztlenowego niektórych gatunków mikroorganizmów, , w których azotany lub azotyny są ostatecznym akceptorem elektronów (zamiast tlenu)

Przebieg redukcji

NO₃ NO₂ NO N₂O N₂

W procesie uczestniczą 4 reduktazy, które …

RYSUNEK (schemat Tomek)

1. Bakterie denitryfikacyjne utleniają związki organiczne całkowicie do CO₂, H₂O

2. Bakterie denitryfikacyjne są względnymi beztlenowcami (natlenianie nie eliminuje ich)

3. Proces denitryfikacji jest wydajny energetycznie

Typ oddychania akceptor e^- ATP

oddychanie tlenowe O₂ 38

fermentacja zw. org. 2

denitryfikacja NO₃, NO₂ 19

Bakterie denitryfikacyjne jako źródło węgla używają łatwo przyswajalnych substancji organicznych.

Źródłem węgla mogą być:

• występujące w ściekach substancje organiczne - wewnętrzne źródło węgla

• zgromadzone wewnątrzkomórkowo substancje zapasowe np. polihydroksykwasy - endogenne źródło węgla

• związki organiczne (np. CH₃, kwas octowy i inne)

• zewnętrzne źródło węgla

Aby denitryfikacja była całkowita stosunek ChZT:N w ściekach powinien wynosić

8 g ChZT/g NO₃

Bakterie denitryfikacyjne w biotechnologii są stosowane:

1. jako I-szy stopień usuwania N-NO₃ i/lub N-NO₂ ze ścieków nieorganicznych (głównie z przemysłu octowego)

ścieki + C źródło węgla NO₃ NO₂ N₂ (ulatnia się) odpływ

2. jako II-i stopień oczyszczania ścieków zawierających NH₄⁺ + NO₃^-

REAKCJE

3. jako II-i stopień oczyszczania - ścieki komunalne i wewnętrzne źródło węgla

REAKCJA

4. denitryfikacja symultaniczna - stosowana wtedy, gdy parametry techniczne umożliwiają jednoczesny przebieg nitryfikacji i denitryfikacji

Denitryfikacja stosowana jest do:

1. usuwania utlenionych form azotu ze ścieków (wydajność zależy od stosowanego źródła węgla)

2. oczyszczania ścieków organicznych (jednak w większości ścieków organicznych brakuje dostatecznie dużych stężeń azotanów i azotynów)

3. oczyszczania ścieków zanieczyszczonych węglowodorami (np. ścieków przemysłu petrochemicznego pod warunkiem dostarczania zewnętrznych akceptorów elektronów)

Redukcja siarczanów

Bakterie redukujące siarczany występujące wszędzie tam gdzie panują warunki beztlenowe, oraz dostępne są substraty organiczne i siarczany.

Bakterie redukujące siarczany są obligatoryjnymi beztlenowcami wykorzystującymi:

• siarczany

• tiosiarczany

• siarczyny

Energię potrzebną do wzrostu uzyskują na drodze utleniania związków organicznych (kwasy organiczne - np.. mlekowy, pirogronianowy, mrówkowy, octowy; alkohole - np. etanol)

SO₄^2- + materia organiczna = HS^- + H₂S + HCO₃^-

Klasyfikacja BRS (bakterii redukujących siarczany):

1. gram ujemne, mezofile BRSy

2. gram dodatnie, sporujące

3. termofilne BRSy

4. termofilne archebakterie

Powszechnie stosowany jest podział:

1. sposób rozkładu substratu organicznego - całkowity

- niecałkowity

2. rodzaj wykorzystywanych substratów organicznych a zdolność rozkładu

1. całkowity

2. niecałkowity

Bakterie redukujące siarczany umożliwiające:

1. usunięcie ze ścieków siarczanów poprzez przeprowadzenie ich do siarkowodoru i/lub siarczków

SO₄^2- + mat. Org. = HS + H₂O + HCO₃^-

2. usunięcie toksycznych stężeń metali ciężkich

H₂S + Me²⁺ = Mes| + 2H⁺

3. zmniejszenie stopnia zakwaszenia ścieków (o około 3-4 jednostki)

4. usunięcie związków organicznych

Zastosowanie do oczyszczania

1. wód kopalnianych

2. ścieków z fabryk metalurgicznych, galwanizerni

3. odcieków ze składowisk odpadów komunalnych i przemysłowych

Dwustopniowe oczyszczanie ścieków z przemysłu metalurgicznego

• I etap - beztlenowy

• II etap - tlenowy

SCHEMAT (Tomek zeszyt)

Urządzenia stosowane w oczyszczaniu ścieków:

• osadniki gnilne - sedymentacja i fermentacja a w następnych komórkach zachodzą kolejne etapy beztlenowego rozkładu

• osadnik Imhoffa - komora fermentacyjna zespolona z osadnikiem, proces rozkładu w temperaturze 3-12^oC, osad nie podlega mieszaniu

• wydzielone komory fermentacyjne - otwarte zbiorniki ziemne lub żelbetonowe, brak podgrzewania, brak mieszania

• wydzielone zamknięte komory fermentacyjne - reaktor ze słabym dopływem ścieków, zaopatrzone w osadniki wtórne z recyrkulacją osadu służącego do zaszczepienia dopływających ścieków

• bioreaktor VASI3

• mieszanie przez wprowadzania ścieków od dołu

• wznoszące się ścieki utrzymują biomasę bakterii w zawieszeniu

• granulki osadu zatrzymywane przez separator

• w praktyce stosuje się ciągi urządzeń połączonych szeregowo

• bioreaktor z wypełnieniem stałym

• złoże zraszane

• bioreaktor złoże fluidalne

• mikroorganizmy są …

• nośnik jest utrzymany w stanie zawieszenia dzięki intensywnej recyrkulacji ścieków tzw. Napowietrzeniu

Dobór komór fermentacyjnych zależy od:

• gęstości biomas podanych …

• ilości biomasy podanych …

• mas i obciążenia bioreaktora

• ekonomi i niezawodności przebiegu procesu

Zalety beztlenowego oczyszczania:

• nie wymagają kosztownego napowietrzania, ChZT przekształca się w osad nadmierny

• 1 kg suchej masy odpadów uzyskuje się od 200 do 1000 dm³ biogazu

• połowa substratów nie ulega rozkładowi

Wady beztlenowego oczyszczania:

• większa możliwość na zmiany pH i Temp

• występujące wahania obciążeń substratowych i hydraulicznych

• częściowe …

Wykład 9

BIOFILMY

Gdy rosną na budowlach podwodnych lub statkach powodują korozję.

Biofilm - kooperatywa, konsorcjum populacji bakterii, które żyją w grupach, są nieodwracalnie związane z powierzchnią (abiotyczne, nieabiotyczne) lub innymi substratami. Bakterie tworzą wielowarstwowe zespoły - tzw. Biofilny. Elementem strukturalnym utrzymującym poszczególne komórki razem są polisacharydy.

Etapy tworzenia biofilmu:

1. Adhezja pływających komórek planktonowych do powierzchni - przyczepianie się za pomocą fimbrii lub wielocukrów. Zależy od:

• fazy wzrostu bakterii

• ładunku powierzchni bakterii

• hydrofobowość lub hydrofilowość

• wydzielania zewnątrzkomórkowego bakterii

• obecności adhezji

• rodzaju powierzchni

• czynników środowiskowych

• Tworzenie mikrokoloni

• mikrokolonie powstają nie tylko w wyniku statycznego podziału komórek, ale również na skutek migracji pojedynczych bakterii po powierzchni (za pomocą fimbrii)

• na strukturę biofilmu wpływają również takie czynniki jak właściwości powierzchni itd.

• rozwój mikrokoloni wewnątrz dojrzewającego biofilmu jest często związany z produkcją substancji zewnątrz komórkowej

• mikrokolonie mogą składać się z 1 gat. lub wielu, zależy od parametrów środowiskowych

3. Różnicowanie mikrokoloni w dojrzały biofilm

• mikrokolonie otoczone matrix tworzą dojrzały biofilm

• w czasie różnicowania się osiadłych populacji bakterii w wysoce zorganizowaną strukturę biofilmu

• komórki zaczynają syntetyzować nowe białka

4. Dyspersje

• kiedy biofilm osiąga odpowiednią masę i osiąga równowagę, zewnętrzne warstwy komórek przekształcają się w formy planktonowe, które swobodnie mogą opuszczać biofilm i kolonizować inne powierzchnie

• skoordynowane działanie drobnoustrojów jest możliwe dzięki wykorzystaniu systemu „quorum sensing” - pozwala on komórkom wyczuwać swoją gęstość w określonej niszy ekologicznej

• komunikują się także za pomocą cząstek sygnałowych (sensorów)

Samooczyszczanie

Wpływ ścieków na odbiornik:

• na stan sanitarny i estetyczny wygląd

• na procesy samooczyszczania

• na wykorzystywanie wód w celach rolniczych i hodowlanych

• na budowle wodne

• czynniki o największym zagrożeniu

• zw. organiczne

• substancje nieorganiczne, szybko utleniające się

• zawiesiny organiczne i nieorganiczne.

• związki toksyczne

• kwasy i zasady

• oleje i tłuszcze

• nadmierne zasolenie

Fazy samooczyszczania:

• hydrolityczny rozkład związków niskocząsteczkowych, ich utlenianie z wydzieleniem CO₂ i H₂O

• proces nitryfikacji z utl. NH₃ NO₂ i NO₃

czas mineralizacji - 20 dni

Charakterystyka odbiornika, do którego odprowadzamy ścieki:

• charakter przepływu

• stan wody

• prawdopodobieństwo powtarzania się zjawisk hydrologicznych

• zanieczyszczenia szkodliwe dla ryb i organizmów

• jaka zagniwalność?

• Jakie bakterie/

Samooczyszczanie się wód jest to proces usuwania zanieczyszczeń polegający na działaniu procesów fizykochemicznych i biologicznych.

W miejscu zanieczyszczenia następuje:

• rozcieńczenie wody odbiornika

• sedymentacja zawiesin

• adsorpcja

• mineralizowanie materiałów organicznych przez drobnoustroje

Strefy saprobowe wód:

1. polisaprobowe

• największe zanieczyszczenie

• wzrost BZT₅ - kilkaset mg O₂/l

• warunki beztlenowe lub bardzo mało tlenu

• źródło tlenu - dyfuzja

• bardzo dużo CO₂

• dużo H₂S

• liczne bakterie - w 1 ml ponad milion

• biologiczne wskaźniki zanieczyszczeń - bakterie promieniowe, grzyby

1. α - mezosaprobowe

• średnio zanieczyszczone

• BZT₅ - kilkaset mg O₂/l

• mało tlenu

• dużo CO₂

• dużoH₂S

• liczba bakterii - setki tysięcy

• biologiczne wskaźniki zanieczyszczeń - promieniowe, grzyby, sinice

1. β - mezosaprobowe

• średnio zanieczyszczone

• BZT₅ - kilkadziesiąt mg O₂/l

• dobre wartości tlenowe

• źródło tlenu - dyfuzja i fotosynteza

• mało CO₂

• mało H₂S

• liczba bakterii - kilkanaście tysięcy

• biologiczne wskaźniki zanieczyszczeń - bakterie autotroficzne, sinice, zielenice, okrzemki

1. oligosaprobowe

• strefa wód czystych

• BZT₅ - kilka mg O₂/l

• dobre warunki tlenowe

• źródło tlenu - dyfuzja i fotosynteza

• mało CO₂

• brak H₂S

• liczba bakterii - setki, dziesiątki w 1 ml

• biologiczne wskaźniki skarzeń - glony i okrzemki

Wspomaganie samooczyszczania:

• budowa zbiorników wodnych

• regulacja rzek

• rozcieńczanie ścieków

• płukanie przez wypuszczanie wody z górnych zbiorników retencyjnych

• sztuczne napowietrzanie wód - kaskady, koła łopatkowe

• saletrowanie (rezerwa tlenowa)

Wykład 10

GOSPODARKA ODPADAMI

Przez odpady rozumie się wszystkie przedmioty oraz substancje trwałe, a także nie będące ściekami substancje ciekłe powstające w wyniku prowadzenia działalności gospodarczej lub bytowania człowieka i nieprzydatne w miejscu lub czasie, w którym powstały. Za odpady uważa się również odpady ściekowe.

1. odpady niebezpieczne - ze względu na swoje pochodzenie, skład chemiczny i biologiczny, a także właściwości stanowią zagrożenie dla życia lub zdrowia ludzi i dla środowiska

2. odpady komunalne -

Usuwanie to wszystkie operacje, które nie prowadzą do recyklingu - odzyskiwania zasobów.

Odzyskiwanie to regeneracja (recykling), odpady mogą być ponownie wykorzystane.

Najważniejsze działanie i zasady:

1. zapobieganie powstawaniu odpadów

• poprzez technologie, wspieranie czystej produkcji

• poprzez produkty (promowanie produktów o małej szkodliwości)

• recykling, powtórne wykorzystanie odpadów

• powtórne wykorzystanie odpadów na drodze recyklingu materiałowego lub energetycznego

3. bezpieczne usuwanie pozostałości nie nadających się do odzysku

• optymalizacja ostatecznego usuwania odpadów

4. bezpieczny przewóz odpadów

5. konieczność prowadzenia działań naprawczych

Odpady komunalne stwarzają niebezpieczeństwo skażenia wód i powietrza. W Polsce zawierają do 40-50% substancji organicznych; N 0,53-0,87%; P 0,45-088%.

Organiczne składniki zawarte w odpadach ulegają przemianom biochemicznym i oddziałowują na środowisko poprzez produkty rozkładu; CO₂, NH₃, H₂S, metan, siarczany i inne.

Selektywne gromadzenie odpadów może zmniejszyć ilość odpadów o 30%, a przy gromadzeniu również odpadów organicznych nawet 50-60%.

Unieszkodliwianie odpadów - to przekształcanie biologiczne, fizyczne, chemiczne w celu doprowadzenia do stanu nie zagrażającego.

1. składowanie - najbardziej popularne - u nas 99% się składuje, w Szwajcarii 12% !!!

2. metody biologiczne - kompostowanie i fermentacja mlekowa

3. metody termiczne - spalanie, gazowanie, odgazowanie

4. przerabianie na paliwo

SKŁADOWISKO

Zlokalizowany i urządzony zgodnie z przepisami obiekt budowlany, zorganizowany do deponowania odpadów. Poprawna lokalizacja składowiska powinna uwzględniać warunki areograficzne, topograficzne, geologiczne, geotechniczne, klimatyczne i zasady gospodarki przestrzennej.

Procesy:

• I faza - hydroliza związków wielkocząsteczkowych; bakterie tlenowe rozkładające celulozę - końcowy produkt to kwasy organiczne, H₂, CO₂, alkohole, aldehydy

• II faza - fermentacja kwasowa; bakterie fermentacyjne wytwarzające H₂; rosną bardzo wolno; rozkład związków do prostych związków organicznych (kwasy organiczne, amoniak, siarkowodór - odpowiedzialne za odór)

• III faza - właściwa fermentacja mleczanowa; archeony metanogenne - tworzą biogaz !!! i CO₂; są wrażliwe na pH i temperaturę; 1 tona biogazu - 800 kWh

Redukcja CO₂

CO₂ + 3H₂ CH₄ + H₂O

Gaz z wysypiska rozchodzi się we wszystkich kierunkach nawet na kilkaset metrów. Mogą zdarzać się wybuchy. Metan wywołuje ponad 30x większy efekt węglowy niż CO₂.

Odcieki z wysypisk powinny być odprowadzane w sposób kontrolowany - najlepsze są metody biologiczne np. staw osadowy. Odcieki mają dużo azotu; ChZT :BZT₅ - 500:60000

W przebiegu procesów rozkładu warzne są:

• skład chemiczny osadów

• zawartość wody

• dostęp tlenu

• skład i aktywność mikroorganizmów

• odczyn pH

• toksyczność odpowiednia dla mikroorganizmów

KOMPOSTOWNIE

Musi być w warunkach tlenowych; jest to proces biotechnologiczny polegający na czasowym rozkładzie substancji organicznych w warunkach tlenowych pod wpływem makroorganizmów.

Kompost - ziemia próchniczna o dużej zawartości substancji organicznej, wyprodukowana z masy roślinnej, powstałej w gospodarce rolnej lub ogrodniczej, z miejskich odpadów bytowo gospodarczych, z przemysłu. Podstawowym składnikiem kompostu są związki humusowe.

Czynniki wpływające na kompostowanie:

• skład odpadów

• pH 6-7

• temperatura 50-65^oC

• tlen - 2 g O₂/g.s.m.

• stosunek C:N - 25:30/l

• ilość wody 40-50%

• dostępność powietrza

• substancje organiczne > 30%

• rozdrobnienie

Cykl kompostowy w pryzmie usypanej

• I faza - bardzo intensywny rozkład substancji organicznej - temperatura wzrasta do 60-75^oC

• II faza - intensywny rozkład, malejący w czasie rozkład; temperatura spada do około 30-40^oC

• III faza - spowalnianie rozkładu substancji organicznych i spadek temperatury do temperatury otoczenia

W czasie kompostowania zachodzą równolegle 2 procesy:

1. mineralizacja - utlenianie substancji organicznej do CO₂, H₂, NO₃,SO₄, PO₄

2. humifikacji - synteza w wielkocząsteczkowe substancje próchnicze

Rekultywacja - przywracanie wartości użytkowej środowisku przyrodniczemu zdegradowanemu przez gospodarkę i bytową działalność człowieka.

Wykład 11

BEZTLENOWE UTLENIANIE AMONIAKU = ANAMOX

Przez lata uważano, że utlenianie amoniaku może zachodzić jedynie w warunkach tlenowych. 10 lat temu odkryto w beztlenowym bioreaktorze, utlenianie amoniaku przy udziale azotynów do azotu cząsteczkowego. Obecnie reakcja ta jest stosowana do:

• oczyszczania ścieków

• redukuje do 70% udziału N w oceanach

Azot w cyklu obiegu występuje na wszystkich stopniach utlenienia.

Jest to reakcja NH₄⁺ + NO₂^- N₂ + 2H₂O w której azotany są akceptorem elektronów a amoniak jego donorem. Jest ona pod względem energetycznym znacznie bardziej korzystna niż normalna nitryfikacja.

Mechanizm:

Akceptorem elektronów są azotyny redukowane następnie do hydroksyloaminy, która z kolei reaguje z donorem e^- (amoniakiem), w wyniku czego powstaje N₂.

Reakcja anammox - cechy:

• w temperaturze 6-43^oC

• w pH 6,7-8,3 (optimum pH=8)

• z szybkością 55 umoli NH₄⁺/g białka/min

• bakterie cechuje wysokie powinowactwo do substratów (amonu i azotynów)

• obecność amoniaku (100mM) i azotanów nie inhibuje reakcji

• obecność azotynów (20mM) w hamuje przebieg reakcji

• reakcja mocniej hamuje tlen w stężeniu 0,5% - przy stężeniu 0,5% rozwija się mieszany zespół bakterii tlenowych i beztlenowych taka hodowla przekształca amon bezpośrednio do N₂ a azotyny są zw. pośrednimi

Mieszane zespoły bakterii tlenowych i beztlenowych (metoda Canon), są wykorzystywane do oczyszczania ścieków

Typ Planctomycetes - cechy:

• z amoniaku i azotynów wytwarzają N₂, H₂O, NH₄⁺

• z beztlenowego utleniania amoniaku uzyskują energię

• wiążą CO₂ - nieznany mechanizm

• w większości są to organizmy tlenowe i chemoorganotroficzne

Dzieli je od innych bakterii duża odległość ewolucyjna, bakterie te mają wspólnego przodka, ale różnią się znacznie między sobą.

Bakterie anammox (należące do typu Planctomycetes)

• są beztlenowymi, chemolitoautotrofami

• nie zawierają w ścianie komórkowej peptoglikanu

• dzielą się przez pączkowanie, mają zróżnicowaną cytoplazmę, która pełni różne funkcje

• posiadają charakterystyczne drabinkowate lipidy

• mają niski wzrost populacji, bardzo długi czas podwojenia biomasy - 10,6 dni (tlenowe nitryfikacyjne - 0,76 dnia)

• mają oksydoreduktazę hydroksyloaminy - enzym zlokalizowany w anammoksysomie

Znane są 3 rodzaje bakterii annamox:

• Brocardia - ze ścieków

• Kuenenia - ze ścieków

• Scalindua - z Morza Czarnego

Anammox:

• energia swobodna nitryfikacji t 275 kJ/mol a reakcji anammox to 357 kJ/mol

• plan biomasy jest niski i podobnie jak w nitryfikacji wynosi około 0,07mola/mol e

• właściwa szybkość wzrostu bakterii anammox jest niska - okolo10x mniejsz niż wzrostu bakterii nitryfikacyjnych

• czas podwojenia biomasy bakterii anammox wynosi około 2-3 tygodni, dlatego wykorzystywanie tego procesu do oczyszczania ścieków wymaga zastosowania bioreaktorów z bardzo wydajnym i intensywnym zawracaniem biomasy - SEQUENCING BATH REACTOR

• w beztlenowych bioreaktorach i błonach biologicznych przeżywają również bakterie nitryfikacyjne - N. europea

• jak wykazazo tlenowe N. europea w warunkach limitacji tlenem jest zdolna do denitryfikacji NO₂ N₂

• u N. europea proces usuwana azotynów jest 50x wydajniejszy niż u Brocardia oraz 200x wydajniejszy niź w nitryfikacji

• obecność N. europea w zespole bakterii sprzyja usuwanu resztek tlenu

Nowe technologie usuwaniu azotu ze ścieków:

1. Canon - zostala opracowana metoda oczyszczania ścieków, w której do oczyszczania nie potrzeba dodawać egzogennego źródła węgla (wykorzystywane tu są wyłącznie bakterie autotroficzne)

• I etap - NH₄⁺ NO₂^-

• II etap - NO₂^- + NH₄⁺ N₂ + H₂O

Proces zachodzi:

pH = 7-8,5

temperatura = 30-34^oC

złoże fluidalne anammox usuwa od 0,2 do 2,6 kg N_org/m³/dobę

2. Sharon - jest to chemostat (bez retencji), pracuje przy stopniu rozcieńczenia (0)…

wyższym niż maksymalna szybkość wzrostu bakterii utleniających azotyny (z bioreaktora eliminowane są bakterie nitryfikacyjne utleniające NO₂^- -NO₃^-), ale niższym niż szybkość wzrostu bakterii utleniających amoniak (Brocardia, bakterie te namnażają się w bioreaktorze). W takich warunkach produktem końcowym nitryfikacji są azotyny.

3. Sharon-Anammox - schemat zastosowania do usuwania amoniaku ze ścieków

1. do tlenowego homeostatu dopływają ścieki z N-NH₄⁺ około 50% jonów amonowych zostaje utleniona do NO₂^-

2. w drugim bioreaktorze zachodzi reakcja utleniania amoniaku przez azotyny (anammox) - 95% azotu zostaje usunięte w postaci N₂

Złoże płytowo zanurzeniowe anammox - służy do oczyszczania ścieków nieorganicznych zawierających wysokie stężenie azotu (około 50mg N-NH₄⁺/l). Złoże to prosta błona biologiczna (biofilm) złożone z:

• bakterii tlenowych (około 30%)

• N. europea (utlenia amoniak)

• Nitrospira (utlenia azotyny)

• Bakterie beztlenowe (30%)

• Kurenia suttgartiensis (beztlenowe utlenianie amoniaku)

• Nitkowate (około 7%) Cytophaga-Flavobacterium-Bacteroides (CFB)

Warstwy - co oczyszcza?

1. górna warstwa tlenowa - nitryfikacyjne

2. nitryfikacyjne

3. nitkowate

4. anammox

METODY BIOLOGICZNEGO OCZYSZCZANIA GRUNTU

500 tys. ha wymaga rekultywacji

Grunt

1. zdewastowane - całkowicie utraciły wartości użytkowe

2. zdegradowane - okresowe zachwianie równowagi biologicznej, osłabienie lub zachwianie homeostazy, w wyniku działania czynników: biologicznych, chemicznych, fizycznych

Kryteria oceny stopnia degradacji:

1. Wzrost roślin

1. degradacja mała - niewielkie zmiany rozwoju roślin

2. degradacja średnia - punktowe zamieranie roślin

3. degradacja duża - 50% plonu zawiera

4. degradacja bardzo duża - zanik roślinności

2. Zawartość węglowodanów (np. czterochlorku węgla - do 0,04%)

3. Stosunek C:N

1. degradacja mała - od 8:1 do 10:1

2. degradacja duża - od 45 do 1

4. Liczebność mikroorganizmów

1. żyzna gleba 10⁷-10⁹ kom/1 g s.m. gleby

2. piaski Sahary - 1 kom/1 g s.m. gleby

Przyczyny degradacji gleb

1. Biologiczne

1. zwolnienie tempa procesów syntezy i rozkładu związków w glebie

2. nagromadzenie inhibitorów bakteryjnych i grzybowych (np. kiedy pH jest zbyt niskie)

3. nagromadzenie fitoncydów (np. tytoń)

4. rozwój organizmów pasożytniczych

2. Niebiologiczne

1. zakwaszenie

• Polska 26% gleby kwaśne - pH<4,5

35% gleby kwaśne - ph<7,0

• kwaśne gleby

• większa rozpuszczalność związków mineralnych (mogą być wypłukiwane)

• łatwiej pobierane i kumulowane są w roślinach metale ciężkie

• liczebność grzybów wzrasta (inhibitory)

• przeciwdziałanie

• wapnowanie

• nie wprowadzanie soli fizjologicznych kwaśnych (np. siarczan amonu)

• hodowla tzw. Roślin siarkowych (np. motylkowych)

2. zanieczyszczenia pestycydami

• z 449 stosowanych preparatów, 32 to I klasa toksyczności

• mikroorganizmy posiadają zdolność:

• całkowitej mineralizacji niektórych pestycydów

• zamiana ich budowy (detoksykacja lub aktywacja)

• metabolizm pestycydów polega na:

• dehalogenacji - insektycydy z gr. węglowodorów chlorowanych w pH alkalicznym (np. chlorobenzenfenol)

• dealkalizacji - dimetylacja oksydacja rozerwanie pierścienia

• dezaminacja - 4-chloroanilina chlorobenzen

• hydroliza - amidy -amidaza--> kwasy + aminy estry -esteraza--> kwasy + alkohole

• oksydacja - odłączenie grupy hydroksylowej (bakterie); wytworzenie grupy epoksydowej (grzyby) b. toksyczne

• redukcja

• rozszczepienie pierścienia

• cechy charakterystyczne rozkładu pestycydów:

• szybkość rozkładu większa im więcej podstawników i pierścieni benzenowych

• toksyczność powstających produktów zależy od tego czy jest to izomer orto czy para

• jednocześnie (lub kolejno) zachodzi wiele reakcji

• uczestniczą kolejno po sobie różne grupy mikroorganizmów

• nawet niewielka zmiana w budowie decyduje czy związek ulegnie rozkładowi czy nie

• DDT - najstarszy insektycyd; posiada wszystkie cechy węglowodorów trudno rozkładalnych

• złożona budowa

• izomer para

• węglowodór chlorowany

• 2 pierścienie benzenowe

• Dobrze rozpuszcza się w tłuszczach (kumulacja w wątrobie i tkankach), u ssaków przechodzi w DDE, który też jest toksyczny

1. Przeazotowanie

1. przyczyny:

• barwniki anilinowe

• materiały wybuchowe (TNT)

• nawozy azotowe

• za przemiany N w glebie odpowiadają

• bakterie denitryfikacyjne (lecz gromadzą azotyny)

• bakterie nitryfikacyjne

• bakterie wiążące azot

• bakterie proteolityczne

1. kumulacja metali ciężkich

1. toksyczność zależy od:

• gatunku i wieku rośliny

• stopnia dysocjacji tworzonych przez metale połączeń

• zawartości metali ciężkich w glebie

• rodzaju gleby (kompleks sorpcyjny gleby)

• odczynu gleby

2. mikroorganizmy posiadają zdolności

• akumulacji ich

• wytwarzania związków unieszkodliwiających metale

• wytwarzanie tak zwanych plazmidów „R” - zabezpieczenie przed szkodliwym działaniem metali ciężkich

• uczestniczenie w przemianach metali

• detoksykacja Fe i MN

• biometylacja rtęci Hg²⁺ Hg(CH₃)⁺

• konwersja rtęci Hg²⁺ Hg^o

1. Zanieczyszczenia ropopochodnymi i WWA

• przyczyny zanieczyszczenia:

• wycieki ropy naftowej i oleju napędowego

• spalanie substancji organicznych

• stężenie WWA w glebie (tło):

• 1-5 ug/kg s.m. gleby

• 10⁷-10⁹ - ogólna liczba bakterii w glebie

• 10⁴-10⁵ bakterie zdolne do rozkładu WWA

• w glebie zanieczyszczonej 10⁶-10⁸ bakterii zdolnych do rozkładu WWA

Wykład 12

METODY REKULTYWACJI GRUNTU

1. Techniczne (np. spalanie)

2. Biologiczne

1. naturalna biodegradacja

1. hodowla roślin

2. wykorzystywanie mikroflory bakteryjnej

3. agrotechniczne

2. zastosowanie mobilizacyjnych bakterii

1. in situ (w miejscu)

2. ex situ (po wydobyciu)

• on site (na miejscu)

• of site (po wywiezieniu)

Zasada procesu bioregeneracji

In situ - wykopuje się studnie eksploatacyjne

• napowietrzanie wody

• biofiltr powietrza

• filtracja wody

• dodawanie H₂O₂/NO₃/O₂

• golenia infiltracyjne

• otwory obserwacyjne

• studnie eksploatacyjne

• ???? produktów naftowych

Ex situ - po wywiezieniu - pryzmy (niezbyt duże)

RYSUNEK (Tomek)

Czasem rozstawia się nad pryzmami namioty by nie zanieczyszczać powietrza.

Oczyszczanie wód gruntowych

Skażenie wód podziemnych zależy od:

• stopnia zanieczyszczenia wód zaskórnych

• struktury gruntu

Migracja zanieczyszczeń

Z powierzchni do wód wgłębnych można podzielić na 2 fazy:

• przeniesienie się w kierunku pionowym przez strefę aeracji

• przeniesienie się w kierunku pionowym w strefie saturacji

Bakterie w wodzie przemieszczają się na odległość od 5 do 850 m, a zanieczyszczenia chemiczne 10 razy dalej (wirusy na 400-900m)

Usuwanie zanieczyszczeń:

1. Proces oczyszczania wód

• mikroorganizmy biorą udział, największą ilość spotyka się w wodach zaskórnych na głębokości 0,3-2 m)

• Zasadniczy etap usuwania - odbywa się w strefie aeracji

• organizmy tlenowe mineralizują zanieczyszczenia organiczne

• z wody infiltracyjnej usuwane są mikroorganizmy na drodze:

• filtracji

• w powierzchniowej warstwie gruntu (2-6 mm) powstaje filtr biologiczny

• w głębszych warstwach (10-50 mm) wykształca się strefa, w której zachodzi dodatkowe zatrzymanie bakterii

• adsorpcji - która zależy od

• składu gruntu

• zawartości związków organicznych

• rodzaju kationów

• mikroorganizmów (morfologia itd.)

Metody usuwania wód gruntowych - in situ

• studnie z rezerwowym dyfuzorem

• wtłaczanie powietrza i jego odbiór w innym miejscu

• wspomaganie procesów zachodzących w wodach podziemnych przez wprowadzanie powietrza i związków odżywczych

Bioremediacja (odzysk) podsumowanie

• jest zespołem zabiegów stymulacyjnych charakterystyczne dla określonego środowiska mikroorganizmów do usuwania chemicznych zanieczyszczeń z gleby i wód gruntowych (stają się coraz bardziej popularne)

• jest stosowane w miejscu skażenia (in situ) i poza nim (ex situ)

Podział:

• bioremediacja podstawowa:

• monitoring neutralnego procesu degradacji

• jest to proces podczas którego jedynie mikroorganizmy bytujące w skażonym terenie, są wykorzystywane do obniżania stężenia zanieczyszczeń w gruncie do bezpiecznego poziomu, w określonych normach czasowych

• biostymulacja

• modyfikacja środowiska (np. dostarczanie pożywek dla mikroorganizmów lub napowietrzanie terenu)

W celu przyśpieszenia procesu bioremediacji zanieczyszczeń z gleby stosuje się stymulację rozwoju mikroorganizmów naturalnie występujących na skażonym terenie:

1. natlenianie

• wentylacja - wtłaczanie powietrza

• woda utleniona

• spulchnianie gruntu

2. dodawanie pożywek

• sztuczne wzbogacenie rekultywowanego terenu

• dodanie ciekłego nawozu hydrofobowego

• dodanie nawozu w fazie stałej

• wodne roztwory

1. bioagumentacja

• wprowadzanie dodatkowych mikroorganizmów - razem z pożywką do skażonego gruntu

Czynniki środowiskowe niezbędne do aktywności mikroorganizmów:

• dostępność wody 25-85%

• tlen - powyżej 0,2 mg O₂/l

nasycenie powietrzem - 10%

beztlenowy metabolizm < 1%

• potencjał redox

• powyżej 50 mV dla bakterii tlenowych i fakultatywnych beztlenowych

• poniżej 50 mV dla bakteri beztlenowych

• pH - od 5,5 do 8,5

• Pierwiastki biogenne - obecność C, N, P w stężeniu nie powodującym zahamowania wzrostu (C, N, P 120:10:1)

• Temperatura 4-45^oC

METALE I MIKROBIOLOGICZNE ŁUGOWANIE METALI Z RUD I ODPADÓW

Obecność metali w środowisku zależy od:

• czynników naturalnych

• erupcje wulkanów

• wietrzenie skał

• czynniki antropogeniczne

• procesy spalania

• transport drogowy

• górnictwo rud metali

• odpady przemysłowe

Ługowanie:

• złoża wielu minerałów ulegają wyczerpaniu

• gromadzone są olbrzymie hałdy materiałów odpadowych - 75% wydobytych surowców nie nadają się do niczego (np. piryty węglowe powstające w elektrowniach)

Produkcja 1 tony cynku 12 ton odpadów

1 tony kwasu fosforowego 5 ton odpadów

1 tony miedzi 15 ton odpadów

RYSUNEK (Tom)

Metody mikrobiologiczne dotyczące zmniejszeni ilości metali wprowadzanych do środowiska:

• mikrobiologiczne ługowanie

• mikrobiologiczne ługowanie ???????

• mikrobiologiczne odsiarczanie

• ropa naftowa

• węgiel kamienny

Biogeochemia

Biohydrometarulgia - nauka o technologiach i technicznych sposobach wykorzystywania mikroorganizmów

1. ługowanie metali z rud

2. odsiarczanie

3. ługowanie metali z odpadów stałych, płynnych i gazowych

Bakterie siarkowe - mają zdolność utleniania związków S

• tionowe

• obligatoryjne chemolitotrofy (utl. Zw. S oraz kw. tlenowe)

• Thiobacillus thiooxidans

• Thiobacillus thioperus

• Thiobacillus ferrooxidans

• Thiobacillus denitryficans

• względne chemolitotrofy

• Thiobacillus norellus

• Thiobacillus intermedium

• Sulfoladius

• Thiomoccrospia

• siarkowe właściwe (utleniają tylko zw. S)

• chemolitoheterotrofy

• Beggiatoa

• Thiotrix

• Thioplace

Bakterie żelazowe (utl. zw. Fe)

• tworzące ochrę (żółta glinka zawierająca uwodniony tlenek żelaza)

• chemolitoheterotrofy

• Gallionella

• Siderococcus

• Sphaerotihus - Leptothrox

• właściwe bakterie żelaziste

• obligatoryjne chemolitotrofy

• Audithiobacillus feroxidans

• Leptospirillum feroxidans

Mikrobiologiczne ługowanie metali:

• polega na wykorzystaniu zdolności niektórych bakterii utleniających siarkę i/lub żelazo do przeprowadzenia nierozpuszczalnych siarczków metali w rozpuszczalne siarczany

• największą efektywność daje mieszanie szczepów, nie stosuje się monokultur

• głównie 3 gatunki:

• Acidiothiobacillus ferrooxidans

• Acidithiobacillus thiooxidans

• Leptospirillum ferrooxidans

• są zdolne do:

• wzrostu w bardzo kwaśnym środowisku (pH 1,5-3)

• do utleniania zredukowanej siarki i żelaza w celu zdobycia energii

• do eutroficznego zdobywania węgla i są tlenowe !!!

• do syntezy materii organicznej z O₂

Utlenianie jonu siarczkowego lub żelazowego jest jednak mało wydajne energetycznie i dlatego bakterie muszą intensywnie utleniać związki mineralne.

Znane są 3 mechanizmy biologicznego utleniania siarczków metali:

1. bezpośredni

• utlenianie siarczków Fe jest źródłem energii dla tych organizmów. Do roztworów przechodzą jony metali, a powstający kw. siarkowy jest czynnikiem silnie utleniającym i powodującym ługowanie minerałów

• pośredni

• elektrochemiczny

Wykład 13

Cieczą ługującą jest najczęściej woda o pH 1,9 wzbogacana w odpowiednie składniki np. H₂SO₄; stosuje się też inne roztwory ługujące.

Warunki ługujące:

1. w środowisku kwaśnym (najbardziej efektywne); do cieczy ługujących dodaje się kwas siarkowy i FeSO₄; niskie pH sprzyja bezpośredniemu utlenianiu siarczków miedzi i przeprowadzaniu ich z postaci nieprzepuszczalnej w przepuszczalną

2. czasami nie jest możliwe prowadzenie ługowania w środowisku kwaśnym, wtedy stosuje się ługowanie w środowisku alkalicznym dodając do wody (NH₄)₂CO₃, nadsiarczan i podchloryn

3. opracowana jest też metoda kwaśnego ługowania w środowisku alkalicznym z wykorzystaniem węgla brunatnego, w którym metale ulegają zagęszczeniu

Skuteczność ługowania:

1. najczęściej w procesie ługowania wykorzystuje się naturalne populacje mikroorganizmów namnażające się w miejscu ługowania

2. skuteczność ługowania chemicznego znacznie zwiększa się poprzez:

• wprowadzanie do roztworów ługujących wyselekcjonowanych szczepów drobnoustrojów

• intensyfikację bioekstrakcji poprzez odszczepianie układu (np. pirytów) aktywnymi szczepami bakterii (uzyskuje się tu intensyfikację procesów o 30%)

• wymiana płynu ługującego i bakterii (2x wzrost aktywności)

• optymalne warunki:

• odczyn pH - 2,3

• temperatura - 35^oC

• potencjał redoks - 500mV

• stężenie substratu - 14-20%

• stężenie biogenów - 0,5g/dm³

• ilość biomasy - 7%

• CO₂ w powietrzu -0,5%

• obecność tlenu - intensywne napowietrzanie

Podsumowanie:

1. proces ługowania ma złożony charakter i przebiega przy udziale czynników biologicznych i fizykochemicznych

2. do złoża wprowadza się ciecz ługującą o odpowiednim składzie; następuje wzrost bakterii wynikiem czego jest:

• zakwaszanie środowiska

• wzrost temperatury

• wzrost potencjału redoks

3. mikroorganizmy wytwarzają zjawisko powierzchniowo czynne: kwasy organiczne i związki chelatujące, tworzą się kompleksy z metalami, przeprowadzając je z postaci nierozpuszczalnej w rozpuszczalną

4. wydzielane przez mikroorganizmy enzymy adsorbują się na powierzchni minerałów powodując zachodzenie reakcji biochemicznych

5. utlenianie przez mikroorganizmy kolejnych cząsteczek S² SO₄²- sprzyja powstającej dysocjacji MeS Me²⁺ + S

ODSIARCZANIE

Ropa naftowa

1. olej skalny, paliwo kopalne, ciekła, naturalna mieszanina węglowodorów (m.in. alkanów, cykloalkanów, kwasów karboksylowych, fenoli, tioalkoholi

2. skład:

• węgiel - 80-88%

• siarka - 0,03-8% - w zależności od źródła ropy

• spalanie paliw i węgla zawierających związki siarki prowadzi do powstania utlenionych zw. siarki (SO_x)_y stanowiących znaczne zanieczyszczenie powietrza.

• wzrost zainteresowania procesem odsiarczania węgla i ropy naftowej wynika z 2 przyczyn:

• coraz bardziej rygorystycznych przepisów dotyczących ochrony środowiska

• zmniejszeniu zasobów naturalnych paliw zawierających małe ilości związków siarki, rafinerie w procesie rafinacji wykorzystują coraz częściej ropę zawierającą większą ilość siarki

5. ropa naftowa zawiera:

• związki nieorganiczne

• siarkę elementarną

• siarczki metali FeS₂, ZnS, PbS₄

• siarczany BeSO₄, CaSO₄, FeSO₄

• związki organiczne

• merkaptany

• siarczki

• disiarczki

związki te różnią się punktem wrzenia.

6. największe ilości siarki są w oleju napędowym

7. najtrudniejsze do usuwania są organiczne związki siarki, a do ich usuwania stosowana jest metoda hydrodesulfuryzacji (bardzo droga)

Hydrodesulfuryzacji - jest to proces katalityczny, w którym zachodzi konwersja siarki organicznej do siarkowodoru w reakcji z wodorem S_org +H₂ H₂S

Obecnie prowadzone są badania nad procesem biodesulforyzacji (BDS), w którym do usuwania siarki używane są mikroorganizmy: siarka z tiofenu może stanowić dla nich źródło siarki; następuje enzymatyczne rozerwanie wiązania C-S bez jednoczesnego rozerwania wiązania C-C w ropie naftowej.

Bakterie tlenowe:

1. Rhodococcus erythropolis

2. Rhodococcus sp szczep IGTS8

3. Rhodococcus sp szczep ECRD-1

4. Xanthomonas sp

5. Pseudomonas alcaligens

Bakterie beztlenowe:

1. Desulfonbro desulfuricans M6

• do usuwania SO₄^2- z ropy

• posiada zdolność do desulfuryzacji ropy kuwejckiej

• zawartość siarki zmniejsza się o 21%

• enzymy zdolne do przerwania wiązania C-S

• zdolność do wykorzystywania DBT jako jedynego źródła siarki

Biodesulfuryzacja - prowadzi do usuwania siarki z oleju diesla - w 40-90%

i z ropy naftowej - 25-60%

Węgiel

1. węgiel kamienny stanowi około 80% dostępnych zasobów paliw kopalnych

2. podczas jego spalania powstaje dwutlenek siarki zanieczyszczający atmosferę

3. metody mikrobiologiczne (zamiast droższych konwencjonalnych) umożliwiają równoczesne usuwanie:

• związków siarki

• metali

Zasiarczanie węgla:

• związki nieorganiczne

• siarkę elementarną

• siarczki metali FeS₂, ZnS, PbS₄

• siarczany BeSO₄, CaSO₄, FeSO₄

• związki organiczne

• merkaptany

• siarczki

• disiarczki

Amerykański - dużo siarki

Polski - stosunkowo mało siarki 1,7-3,5%

Skuteczność biologicznego odsiarczania maleje wraz ze wzrostemmzawartości organicznych związków siarki.

Metody odsiarczania:

• mechaniczne

• fizykochemiczne (umożliwia usuwanie 50-6-% siarki pirytowej, 6-8% popiołu)

• zgazowanie

• uplynianie

• piroliza

• chemiczna desulfuryzacja węgla

• mikrobiologiczne

• siarka zawarta w węglu w warunkach tlenowych i wilgoci jest spontanicznie utleniana na drodze chemicznej

4FeS₂ + 15O₂ + 2H₂O 2Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂SO₄

powstaje kwas siarkowy, pH spada i zaczyna się szybkie, spontaniczne utlenianie pirytu.

• bakterie:

• mezofile chemolitotrofy

• Acidithiobacillus ferroxidans

• Acidithiobacillus thioxidans

• fakultatywne chemolitotrofy

• Acidithiobacillus acidophillus

powstają ścieki zawierające siarczany i duże ilości metali ciężkich

proces prowadzony jest na hałdach (dłużej) i w bioreaktorach

• schemat:

• węgiel jest rozdrabniany tak aby bakterie mogły skolonizować kawałki pirytu

• węgiel jest mieszany z wodą i substancjami odżywczymi (fosforany najczęściej) by namnożyć bakterie

• po 8-10 dniach węgiel może być oddzielany od wody procesowej

• ścieki wymagają zobojętniania oraz dalszego oczyszczania bo zawierają parazyt, metale ciężkie i związki organiczne

PODSUMOWANIE - ZALETY I WADY BIOMETOD

Zalety:

1. selektywne usuwanie siarki przez mikroorganizmy

1. kwasolubne bakterie siarkowe nie naruszają struktury węgla

2. nie następuje ubytek masy węglowej ani zmiana wartości kalorycznej węgla

2. zmniejszenie zawartości popiołu w węglu

3. zmniejszenie zawartości metali

4. możliwość wykorzystywania odpadowych kwasowych roztworów

Wady:

1. mała szybkość procesu

2. konieczność rozdrabniania węgla do ziaren o średnicy < 100 um

3. niemożność równoczesnego usuwania siarki pirytowej i organicznej

4. powstanie kwaśnych odpadów

5. konieczność odwadniania węgla i sedymentacji

6. wzrost temperatury w reaktorze - konieczne chłodzenie

UWAGA

1. Zastosowanie procesu biodesulfuryzacji pozwala na zwiększenie usuwania siarczków z węgla ale nie siarki organicznej.

2. do tej pory mikrobiologiczna droga usuwania siarki organicznej np. na drodze 4-S, gdzie dibenzenotiofeny są utleniane do biofenyli i siarczynów, nie ma praktycznego zastosowania ponieważ dostępność enzymów wydzielanych przez mikroorganizmy do połączeń siarki organicznej zawartej w węglu jest niska.

12

---