Metody biotechnologii

Metody biotechnologii

w ochronie

w ochronie

środowiska

środowiska

Dr hab. inż. Joanna Surmacz-Górska prof.

nzw. Pol. Śl.

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Dr hab. inż. Joanna Surmacz-Górska prof.

nzw. Pol. Śl.

Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki
Katedra Biotechnologii Środowiskowej
ul. Akademicka 2, p. 715
E-mail:

[e-mail]

[e-mail]

Konsultacje: środa

11.00 – 13.00

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Zalecana literatura dla przedmiotu:

Miksch K. i Sikora J. (red).

Biotechnologia ścieków,

Wydawnictwo Naukowe PWN, seria

środowisko, Warszawa 2010

Klimiuk E. i Łebkowska M.

Biotechnologia w ochronie

środowiska, Wydawnictwo Naukowe

PWN, seria środowisko, Warszawa

2003

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Zakres wykładów wg nowych standardów:

Kształcenie w zakresie

technologicznych aspektów

biotechnologii

Treści kształcenia: Elementy mechaniki płynów i reologii. Wpływ warunków

hydrodynamicznych na żywe komórki. Inżynieria bioreaktorów – metody

bilansowania

procesów

biochemicznych,

kinetyka

przemian

w

bioreaktorach, procesy transportowe (wymiany ciepła i masy)

przebiegające w bioreaktorach. Procesy rozdzielania i oczyszczania

produktów biotechnologicznych – mechaniczne metody separacji

zawiesin i dezintegracji komórek, ekstrakcja, destylacja z rektyfikacją,

precypitacja

i

krystalizacja,

sorpcja,

techniki

membranowe

i

chromatograficzne, suszenie materiałów biologicznych. Podstawowe

aparaty i urządzenia stosowane w technologiach biochemicznych. Zasady

organizacji produkcji biotechnologicznej i zapewniania jakości. Typowe

technologie stosowane do otrzymywania bioproduktów – biomasy

drobnoustrojów, alkoholi, kwasów organicznych, aminokwasów, enzymów,

farmaceutyków.

Biotechnologie ochrony środowiska – oczyszczanie

ścieków i gazów, przetwarzania odpadów stałych, bioremediacja gruntów.

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Zakres laboratoriów:

1.

Oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego:

-

oznaczanie podstawowych parametrów osadu

czynnego:

- wyznaczanie suchej masy osadu czynnego,
- oznaczanie indeksu osadu.

-

oznaczanie ChZT ścieków,

-

oznaczanie fosforanów, azotanów, azotu

amonowego w ściekach,

-

wyznaczanie podstawowych parametrów

procesu osadu czynnego,

-

badanie adaptacji osadu czynnego do

zmieniających się warunków pracy oczyszczalni.

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Zakres laboratoriów cd:
2. Wpływ zanieczyszczenia gleby na wzrost

roślin:

-

wyznaczanie podstawowych własności
gleby,

-

wyznaczanie wpływu zanieczyszczenia
gleby na ilość chlorofilu w roślinach.

3. Zwiedzanie kompostowni w Zabrzu.
4. Zwiedzanie oczyszczalni ścieków w Zabrzu.

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Sposób zaliczenia przedmiotu

Ocena końcowa (OK) z przedmiotu to

średnia ważona ocen z egzaminu (E) i

laboratorium (L):

OK = 2/3E + 1/3L

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska



Dwa sposoby
postępowania ze ściekami
komunalnymi stanowiły
zalążki współczesnych
systemów
unieszkodliwiania ścieków.



W starożytnej Jerozolimie i
Atenach ścieki
kanalizacyjne
wykorzystywano do
nawożenia pól. Podobnie
postępowano jeszcze w
drugiej połowie XIX wieku
w Norymberdze.

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska



Z kolei pałace w starożytnym
Rzymie posiadały systemy
kanałów odprowadzających
ścieki wraz z wodami
deszczowymi do Tybru.

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska



Doświadczenia w zakresie gospodarki ściekowej
rozwinięte w starożytności zarzucono na wiele
wieków. Dopiero w połowie XVIII wieku w
Anglii, a następnie w kolejnych krajach Europy,
w Stanach Zjednoczonych i Południowej Afryce
zaczęto ponownie zajmować się gospodarką
ściekową stawiając przed nią następujące cele:



-         natychmiastowe usunięcie ścieków z
sąsiedztwa mieszkań,



-         dążenie do ograniczenia postępującego
zanieczyszczenia wód odbierających ścieki,



-         opłacalne składowanie i wykorzystanie
ścieków.

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska



W 1854
angielski lekarz,
John Snow
odkrył, że
źródłem
wybuchu
epidemii cholery
w Londynie były
zanieczyszczone
ściekami wody
Tamizy.

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

p

o

ja

w

ia

n

ie

s

ię

i

p

o

st

rz

e

g

a

n

ie

p

ro

b

le

m

u

1950

1960

197
0

1980

1990

bilans
tlenowy

eutrofizacja

metale
ciężkie

zasolenie, mikrozanieczyszczenia org,
azotany

skażenie wód gruntowych

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Ścieki

to woda, która została użyta do

pewnego celu, a jej cechy fizyczne,
chemiczne bądź biologiczne uległy
przy tym takim zmianom, że nie jest
już możliwe użycie jej

do tego

samego celu

.

Dlaczego trzeba oczyszczać ścieki?

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Dlaczego należy usuwać ze ścieków:

-

zawiesinę organiczną i mineralną,

-

związki organiczne rozkładalne
biologicznie,

-

związki biogenne,

-

związki toksyczne,

-

związki refrakcyjne (organiczne, trudno
rozkładalne biologicznie),

-

związki nieorganiczne (rozpuszczone),

-

metale ciężkie,

-

patogeny?

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Dodatkowym powodem oczyszczania

ścieków stały się okresowe (coraz

dłuższe) braki wody w wielu

regionach świata, wywoływane

przedłużającymi się okresami suszy.

Jednym z rozwiązań, zapobiegających

brakowi wody, jest ponowne

wykorzystanie oczyszczonych

ścieków (sewage recycling).

The Institution of Civil Engineers in

the annual State of the Nation report

(18.10.2006) zaleca takie

rozwiązanie dla UK.

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Kraj

(2003

r.)

Zasoby

(Z)

Potrzeby

(D)

Potrzeby wg sektorów w

%

km

3

m

3

/ca

p

km

3

D/Z

L

P

E

R

Belgia 12,

4

1220 7,44 60,0

9,2

18,9 57,0 0,01

Francj

a

180,
2

3070 32,3

2

17,9

18,2 11,5 60,3 10,0

Grecja 60,

0

6870 9,44 15,7

9,1

10,4 0,02 80,5

Hiszpa
nia

111,
1

2800 40,9

0

36,8

9,3

3,1

35,4 52,2

Niemc

y

111,
0

1350 37,9

1

34,1

14,6 15,4 70,0 0,01

Polska 54,

8

1420 11,7

5

21,4

23,6 7,0

59,6 9,8

Szwec

ja

170,
0

1918

0

2,58 0,02

35,8 54,4 5,8

4,0

Wlk.Bry
t.

157,
8

2690 15,8

9

10,0

48,5 15,0 21,0 15,5

Włoch
y

167,
0

2570 56,1

7

32,1

Brak szczegółowych

danych

L – ludność, P –przemysł, E – produkcja energii, R -
rolnictwo

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

2000

2025

2050

Liczba mieszkańców w

tysiącach

38 644 36 836 33 665

PKB na mieszkańca w tys. PLN (ceny

roku 2000)

18,3

48,8

130,0

Zużycie wody na potrzeby bytowe
mieszkańców, km

3

2,35

2,42

2,21

Zużycie wody w produkcji
przemysłowej, km

3

0,85

1,39

2,29

Pobór wody dla chłodzenia
generatorów energii, km

3

6,79

6,79

6,79

Zużycie wody w rolnictwie
(nawadnianie i hodowla ryb), km

3

1,06

1,76

2,18

Inne (niekontrolowane) pobory wody,

km

3

1,00

1,00

1,00

Łączne zużycie wody w Polsce, km

3

12,05

13,36

14,47

Prognoza potrzeb wodnych w Polsce

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Wskaźniki zanieczyszczenia ścieków

-

chemiczne zapotrzebowanie tlenu ChZT

(COD),

-

biochemiczne zapotrzebowanie tlenu BZT

(BOD),

-

ogólny węgiel organiczny OWO (TOC),

-

zawiesina,

-

azot amonowy, organiczny, azot Kjeldahla

(TKN), azotanowy(III i V),

-

fosforany, fosfor ogólny,

-

siarczany, siarczki

-

chlorki,

-

i inne.

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Parametr

Łódź

Strykó

w

Głowno Namysłó

w

Odczyn, pH

7,4-7,9

7,2-7,5

7,2-7,4

7,2

BZT

5

, mg/l

140

300

290

600

ChZT, mg/l

380

550

440

1200

BZT

5

/ChZT

0,37

0,55

0,66

0,5

Zawiesiny,
mg/l

150

250

330

500

Azot og., mg
N/l

32,2

65,7

55,2

30

Fosfor og., mg
P/l

8,3

30,2

20,1

10

Nie ma typowych ścieków miejskich!

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Wlk. oczyszczalni

w RLM

poniżej
2 000

2 000
- 9 999

10 000
- 14

999

15 000
- 99 999

powyże
j 100

000

BZT

5

, mg/l

lub % redukcji

40

-

25

70-90

25

70-90

15
90

15
90

ChZT, mg/l
lub % redukcji

150

-

125

75

125

75

125

75

125

75

Zawiesina og.,
mg/l
lub % redukcji

50

-

35
90

35
90

35
90

35
90

Azot ogólny, mg/l
lub % redukcji

30

*

-

15

*

-

15

*

35

15
80

10
85

Fosfor ogólny,
mg/l lub %

redukcji

5

*

-

2

*

-

2

*

40

**

2

85

1

90

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

•

*

wartości wymagane wyłącznie w ściekach

odprowadzanych do jezior i ich dopływów oraz do

sztucznych zbiorników wodnych usytuowanych na

wodach płynących,

•

** minimalnego procentu redukcji nie stosuje się do

ścieków wprowadzanych do jezior i ich dopływów

oraz bezpośrednio do sztucznych zbiorników

wodnych usytuowanych na wodach płynących.

•

Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 8 lipca

2004 r.

•

w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy

wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi,

oraz w sprawie substancji szczególnie

szkodliwych dla środowiska wodnego

•

(Dz. U. Nr 168, poz. 1763)

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Podstawy biologicznego oczyszczania ścieków

-

procesy typowe dla krążenia materii w
przyrodzie,

-

warunki tlenowe (aerobowe), beztlenowe
(anaerobowe), anoksyczne.

W zależności od warunków zmienia się ostatni

akceptor elektronów w łańcuchu oddechowym.

W warunkach tlenowych jest to

tlen

,

W warunkach anoksycznych –

azotany

, Mn (IV),

Fe (III),

siarczany

,

W warunkach beztlenowych –

inny związek

organiczny

.

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

A

B

C

E

D

G

F

A – zanieczyszczenia
doprowadzane,

B –zanieczyszczenia
zatrzymane na powierzchni
mikroorganizmów,

C – zanieczyszczenia
odprowadzane z
oczyszczonymi ściekami,

D – zanieczyszczenia
utlenione do CO

2

, H

2

O i

innych produktów
końcowych,

E – zanieczyszczenia
asymilowane w postaci
przyrostu biomasy,

F – autooksydacja
mikroorganizmów do CO

2

,

H

2

O i innych produktów

końcowych,

G – nadmiar
mikroorganizmów

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Rozkład związków organicznych w warunkach tlenowych

Rozkład związków organicznych w warunkach tlenowych

Utlenianie związków organicznych przez

mikroorganizmy heterotroficzne w warunkach

tlenowych

C

10

H

19

O

3

N + 12,5 O

2

→ 10 CO

2

+ 8 H

2

O + NH

3

C

10

H

19

O

3

N – obrazuje skład związków organicznych w

ściekach,

NH

3

– powstaje w wyniku amonifikacji azotu

organicznego.

Synteza biomasy heterotrofów

C

10

H

19

O

3

N + 1,5 NH

3

+ 2,5 CO

2

→ 2,5 C

5

H

7

NO

2

+ 3H

2

O

C

5

H

7

NO

2

- przedstawia wzór stechiometryczny

biomasy

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Rozkład związków organicznych w warunkach

Rozkład związków organicznych w warunkach

tlenowych

tlenowych

Sumarycznie poprzednie równania można

przedstawić jako:

C

10

H

19

O

3

N + 4,375 O

2

+ 0,625 NH

3

→

1,875 CO

2

+

+ 4,75 H

2

O + 1,625 C

5

H

7

NO

2

W równaniu tym pominięto oddychanie

wewnątrzkomórkowe

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Rozkład związków organicznych w warunkach

Rozkład związków organicznych w warunkach

tlenowych

tlenowych

hydroliza

Acetylo-CoA

aminokwasy

transport przez błonę cytoplazmatyczną

białk
a

węglowod
any

tłuszcze

monosacharydyglicerol kwasy tłuszczowe

GLIKOLIZA

Cykl

pentozofosforanowy
Szlak Entnera-

Doudoroffa

pirogronian

D

e

za

m

in

a

c

ja

i

r

o

zk

ła

d

β-

o

k

sy

d

a

cj

a

Cykl
Crebsa

Łańcuch oddechowy

Szczawiooctan,
fumaran, sukcyno-
CoA

S

zl

a

k

i

w

e

w

n

ą

tr

zk

o

m

ó

rk

o

w

e

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Tlenowy rozkład związków
organicznych

synt

eza

utlenianie

związki
organiczne

energia

Nowe komórki

CO

2

, H

2

O,

NO

3

-

, SO

4

2-

,

PO

4

3-

,

energia

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Rozkład związków organicznych w warunkach

Rozkład związków organicznych w warunkach

beztlenowych

beztlenowych

hydroliza

faza
acidogenna

faza

acetogen

na

białka, tłuszcze, węglowodany

aminokwasy, glicerol, kwasy tłuszczowe,
cukry proste

kwasy tłuszczowe,
alkohole

mrówcza
ny,
wodór,
CO

2

octany

propioniany,
maślany,
kaproniany,
waleriany

octany

wodór, CO

2

+

metan (CH

4

) + CO

2

faza
metanogenna

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Beztlenowy rozkład związków
organicznych

Związki
organiczne

energia

sy

nt

ez

a

nowe komórki

fermentac

ja,

faza kwaś

na

kwasy org.,
energia

alkohole,
aldehydy

nowe komórki

sy

nt

ez

a

fermentacja, faza

metanowa

CH

4

,

CO

2

,

energia

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Osad czynny

- Bakterie -

skupiska zooglealne oraz bakterie

nitkowate,

- Grzyby i promieniowce,
- Pierwotniaki (Protozoa):

-

Wiciowce (Flagellata),

-

Korzenionóżki (Rhizopoda),

-

Orzęski (Ciliata): wolno pływające,
pełzające i osiadłe,

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Tkankowce (Metazoa):

-

Wrotki (Rotatoria),

-

Skąposzczety(Oligochaeta),

-

Pajęczaki (Arachnoidea),

-

Brzuchrzęski (Gastrotricha),

-

Niesporaczki (Tardigrada)

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

kłaczki osadu czynnego

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Bakterie osadu
czynnego

Bakterie nitryfikacyjne widok pod mikroskopem
fluorescencyjnym w technice FISH
Bakterie nitkowate Microthrix parvicella (1i 2), typ
0041

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

orzęski osiadłe

orzęsek
pełzający

skąposzczet

ameby
domkowe

wrotek

niesporaczek