Biotechnologa w inżynierii środowiska.pdf

Prof. zw. dr hab. inż. Korneliusz Miksch

Dr inż. Lesław Płonka

Politechnika Śląska

Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki

Katedra Biotechnologii Środowiskowej

BIOTECHNOLOGIA W INŻYNIERII ŚRODOWISKA

Jakkolwiek procesy biologiczne stosowane są w ochronie środowiska z powodzeniem

od wielu lat, to jednak gwałtowny ich rozwój datuje się od chwili wykorzystania w nich

osiągnięć wielu innych dyscyplin – mikrobiologii, biochemii, inżynierii procesowej i

inżynierii genetycznej. Dla podkreślenie jakościowych zmian wywołanych tym postępem

wiedzy, ten obszar zastosowań procesów biologicznych w ochronie środowiska określa się

mianem biotechnologii środowiskowej (ang. Environmental biotechnology, niem.

Umweltbiotechnologie). Ponieważ jednak podstawowym warunkiem pozwalającym określić

jakiś proces mianem biotechnologii, jest opanowanie go w skali technicznej, więc zasadne

jest także stosowanie określenia bioinżynierii środowiskowej (ang. Environmental

bioengineering).

W kolejnych punktach przedstawione będą przykłady zastosowań procesów

biologicznych w uzdatnianiu wód, oczyszczaniu ścieków, utylizacji odpadów, oczyszczaniu

gruntu i gazów, a także zagadnienia sterowania tymi procesami oraz omówione przykłady

programów badawczych, mających przyspieszyć wykorzystanie biotechnologii w ochronie

środowiska.

1. UZDATNIANIE WODY

Do niedawna znaczenie procesów mikrobiologicznych w gospodarce wodnej

obejmowało wiedzę i zabiegi zmierzające do ich ograniczenia w wodzie ujmowanej,

uzdatnianej i przesyłanej do odbiorcy. Mikroorganizmy mają bowiem szczególne znaczenie w

kształtowaniu jakości wód. Mikroflora występująca w wodach może ograniczyć ich

przydatność do celów pitnych nie tylko ze względu na obniżony stan sanitarny, lecz również

na niekorzystne zmiany cech fizyczno-chemicznych spowodowane produktami procesów

życiowych różnego typu mikroorganizmów. Ostatnio jednak w coraz większym stopniu

również w gospodarce wodnej wykorzystuje się procesy biologiczne do usuwania z wody

zanieczyszczeń organicznych, żelaza, manganu i nieorganicznych połączeń azotu. Znamienna

jest ewolucja zainteresowania procesami biologicznymi wśród fachowców z zakresu

gospodarki wodnej – o ile w obszernym podręczniku „Oczyszczanie wody” z 1997 roku w

wykazie tematyki nie występuje jakakolwiek wzmianka o wykorzystaniu metod

biologicznych ( a w samym tekście zaledwie kilka stron ), to w nowszej książce z 2000 roku

„Uzdatnianie wody” znalazł się już podtytuł „Procesy chemiczne i biologiczne”.

1.1. Usuwanie zanieczyszczeń organicznych

Wykorzystanie procesów biotechnologicznych do usuwania zanieczyszczeń organicznych

dotyczy najczęściej ich likwidacji w wodach podziemnych i określane jest mianem

bioremediacji in situ. Metoda ta polega na wspomaganiu naturalnych procesów biodegradacji

zanieczyszczeń zachodzących przy udziale mikroorganizmów występujących w danym

środowisku (mikroflora autochtoniczna) i zaadaptowanych do zaistniałych warunków.

W procesie bioremediacji warstwy wodonośnej zasadniczą trudność stanowi

rozprowadzenie bakterii. Uzyskanie właściwych efektów bioremediacji wymaga zwiększenia

mobilności bakterii, gdyż ponad 95% całkowitej ich liczby występuje w postaci

przytwierdzonej do ziaren warstwy wodonośnej, a tylko niewielka ich część w postaci

zawieszonej w wodzie. Najczęściej wspomaganie biodegradacji polega na uaktywnieniu

autochtonicznych bakterii przez:

- modyfikację środowiska,

- zaszczepienie populacją wyspecjalizowanych szczepów mikroorganizmów,

- zwiększenie przyswajalności zanieczyszczeń.

Modyfikacja środowiska prowadząca do zwiększenia aktywności naturalnych

mikroorganizmów biorących udział w procesie usuwania zanieczyszczeń polega na

uzupełnianiu niektórych składników do wartości optymalnych dla rozwoju

mikroorganizmów. Najczęściej są to związki azotu, fosforu, siarki, żelaza, magnezu, wapnia i

sodu, kometabolity oraz odpowiednie akceptory elektronów jak np. O 2 , NO 3 - . Wspomaganie

procesów bioremediacji przez wprowadzenie mieszanej populacji wyspecjalizowanych

szczepów mikroorganizmów (bioaugmentacja), niekiedy uzyskanych przez genetyczne

manipulacje, nie zawsze jest skuteczne. Organizmy ze zmienionymi cechami genetycznych

przeniesione do środowiska naturalnego często nie są zdolne do konkurencji z naturalną

mikroflorą i szybko giną.

Przy większych stężeniach zanieczyszczeń w wodach podziemnych, zamiast ich

likwidacji bezpośrednio w miejscu ich występowania (in situ), wykorzystywane są często

metody pozwalające na znaczną ich intensyfikację w bioreaktorach do których doprowadza

się zanieczyszczone wody podziemne (metoda ex situ). Schemat takich procesów ilustruje

rysunek 1.

Rys. 1. Procesy oczyszczania wód podziemnych (metody „ex situ” i „in situ”)

1.2. Usuwanie żelaza i manganu

Biologiczne usuwanie żelaza i manganu opiera się na katalizowanym przez bakterie

utlenianiu dwuwartościowych jonów tych pierwiastków do wytrącalnych form Fe (OH) 3 , Fe 2

(CO 3 ) 3 i MnO 2. Przykładem stosowania tego procesu w skali technicznej jest metoda Vyredox

opracowana w Finlandii. Pozwala ona na bezpośrednie usuwanie żelaza i manganu w

warstwie wodonośnej. Zasada metody polega na utworzeniu wokół studni stref natlenionych o

podwyższonej wartości potencjału redoksowego, korzystnych dla rozwoju naturalnie

występujących bakterii. Powstaje swoisty filtr biologiczny, w którym są utleniane i

zatrzymywane związki Fe(II) i Mn(II).

Na rysunku 2. przedstawiono schemat ujęcia typu Vyredox. Ujęcie, w zależności od

warunków hydrogeologicznych i geochemicznych, składa się z jednej lub kilku studni

eksploatacyjnych. Każda studnia jest zaopatrzona w odpowiedni filtr dostosowany do

warunków oraz otoczona otworami infiltracyjnymi.

Rys. 2. Strefy wytrącania żelaza i magnezu z wody podziemnej z zastosowaniem metody

Vyredox

Wzrost potencjału redoksowego w warstwie wodonośnej wokół studni eksploatowanej

osiąga się przez wtłaczanie uprzednio odgazowanej, a następnie wzbogaconej w tlen wody

(np. przez otwory zlokalizowane w odległości 3-4 m). Woda o podwyższonej zawartości

żelaza i manganu, dopływająca do studni zostaje odżelaziona w strefie zewnętrznej przy

wartości Eh w granicach 100-200 mV, tj. na granicy stref zredukowanej i utlenionej.

Zgromadzona w tej strefie biomasa bakterii utleniających żelazo dostarcza węgiel organiczny

dla bardziej wymagających bakterii utleniających mangan. Bakterie te rozwijają się w strefie

wewnętrznej przy Eh ok.600 mV.

Wytrącone osady tlenków żelaza i manganu pozostają w pewnej odległości od studni.

Uzyskuje się zatem dwa efekty: po pierwsze – woda pobierana ze studni jest pozbawiona

żelaza i manganu, po drugie – unika się kolmatacji studni, przez co wydłuża się czas jej

eksploatacji.

1.3. Usuwanie azotanów metodą denitryfikacji

Efektywną metodą usuwania azotanów jest biologiczna denitryfikacja. Proces polega na

mikrobiologicznej redukcji azotanów do azotu cząsteczkowego (N 2 ) lub tlenków azotu (N 2 O,

NO). Dość często metoda ta wykorzystywana jest do uzdatniania wód podziemnych.

Wprawdzie bakterie denitryfikacyjne powszechnie występują zarówno w płytkich i w

głębokich systemach wodonośnych, to w naturalnych warunkach, z uwagi na ograniczone

stężenie węgla organicznego, przy udziale bakterii heterotroficznych udaje się usunąć do 3

mg N-NO 3 /dm 3 . Wydajność procesu można zwiększyć wprowadzając dodatkowe, organiczne

źródło węgla.

Wspomagana denitryfikacja in situ polega na przyspieszaniu naturalnej denitryfikacji w

warstwie wodonośnej poprzez wprowadzenie do wody odpowiedniego substratu

organicznego np. metanolu, etanolu, octanu lub cukru (denitryfikacja heterotroficzna),

względnie dwutlenku węgla i zredukowanych związków nieorganicznych np. H 2 , S, S 2- ,

S 4 O 3 2- , SO 3 2- (denitryfikacja autotroficzna). Schematycznie procesy te ujmuje rysunek 3.

Rys.3. Schemat denitryfikacji auto- i heterotroficznej.

Denitryfikacja in situ jest metodą alternatywną do metod fizyczno-chemicznych i w

szczególności jest stosowana do usuwania azotanów z płytkich wód na małych ujęciach.

Wszystkie procesy jednostkowe tj. denitryfikacja, filtracja wraz z rozkładem pozostałych

substancji organicznych i natlenianie wody odbywają się w warstwie wodonośnej. Ważną

zaletą jest prostota, niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne oraz relatywnie stała

wydajność procesu, niezależna od sezonowych zmian temperatury. Do wad denitryfikacji in

situ należy:

- mała szybkość i wydajność procesu (poniżej 0,3 g N/h),

- znaczący wpływ warunków geologicznych na równomierne rozprowadzenie substratu i

przebieg procesu,

- możliwość kolmatacji otworów iniekcyjnych i porów w warstwie gazowymi produktami

denitryfikacji i martwą substancją organiczną,

- możliwość występowania azotynów w wodzie po denitryfikacji,

- konieczność dalszego, fizyczno-chemicznego uzdatniania wody łącznie z dezynfekcją

(usuwanie azotynów, mikrozanieczyszczeń, biomasy bakterii, dotlenienie).

W praktyce stosowane są różne rozwiązania denitryfikacji heterotroficznej wód

podziemnych w warstwie wodonośnej.

Najprostsze rozwiązanie polega na zastosowaniu studni dwufunkcyjnej pracującej

periodycznie ze zmiennym przeznaczeniem; zawracania wody surowej (z azotanami) po

uprzednim wzbogaceniu w substraty oraz do eksploatacji wody po denitryfikacji.

Wadą takiego rozwiązania jest stopniowy wzrost stężenia azotanów w eksploatowanej

wodzie ściśle związany z ilością odpompowanej wody.

W układzie dwóch studni jedna służy do wprowadzania substancji pokarmowych dla

mikroorganizmów, a druga do eksploatacji uzdatnionej wody. Rozwiązanie trzecie procesu

denitryfikacji - układ złożony, polega na połączeniu metody sztucznej denitryfikacji

prowadzonej w reaktorze na powierzchni, z dalszym doczyszczaniem wody w warstwie

podpowierzchniowej. Przykładem jest obiekt przedstawiony na rysunku 4.

Rys. 4. Układ złożony do denitryfikacji w bioreaktorach z recyrkulacją wody do warstwy

wodonośnej

W praktyce technologicznej często stosowane są metody denitryfikacji ex situ, w których

wykorzystuje się bioreaktory, o wydajności wyższej niż metody in situ (powyżej 0,4 g N/h).

W bioreaktorach do denitryfikacji heterotroficznej, biomasa bakterii denitryfikacyjnych jest

osadzona na materiale stałym, względnie występuje w postaci zawiesiny (złoża fluidalne).

Proces zachodzący przy udziale bakterii heterotroficznych jest najczęściej

stosowanym rozwiązaniem denitryfikacji wód podziemnych na powierzchni. Do zasadniczych

źródeł węgla wykorzystywanych przez bakterie należą: metanol, etanol, kwas octowy,

sacharoza, serwatka, celuloza.

2. BIOTECHNOLOGIA ŚCIEKÓW

Klasyczne procesy biotechnologiczne do oczyszczania ścieków wykorzystywane są od

początku ubiegłego wieku (rowy cyrkulacyjne, osad czynny, złoża biologiczne), a ich opis

znaleźć można w wielu podręcznikach. Z tego powodu tutaj przedstawione będą jedynie

najnowsze tendencje w tym zakresie.

2.1. Optymalizacja bioreaktorów do oczyszczania ścieków

Rys.5.Schemat biologicznego reaktora wieżowego – Bayer Tower Biology ®

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: