WYKŁAD V

 

DENITRYFIKACJA

Jest to typ oddychania beztlenowego niektórych gatunków mikroorganizmów, w którym azotany lub azotyny są ostatecznym akceptorem elektronów (zamiast tlenu). Końcowym produktem redukcji azotanów i / lub azotynów w procesie denitryfikacji są gazowe formy azotu (N2 i / lub N2O)

Mikroorganizmy denitryfikujące to fakultatywne beztlenowce zdolne do tzw. oddychania azotowego. Mogą to być bakterie, sinice (dzięki heterocystom), a także niektóre pierwotniaki.

Zalety zastosowania denitryfikacji do oczyszczania ścieków :

-          bakterie denitryfikacyjne utleniają związki organiczne całkowicie do CO2 i H2O

-          bakterie denitryfikacyjne to względne beztlenowce (awaryjne natlenienie ich nie eliminuje)

-          wydatny energetycznie proces.

TYPY oddychania

 

Zysk energetyczny

oddychanie

O2

38

fermentacja

Zw. organiczny

2

denitryfikacja

NO3-, NO2-

19

 

w warunkach tlenowych:

 substrat organiczny è łańcuch oddechowy è oksydaza cytochromowa è O2

Bakterie denitryfikacyjne są w biotechnologii stosowane do:

1.        jako pierwszy (i jedyny) stopień usuwania N- NO3 i/lub N- NO2 ze ścieków nieorganicznych (ścieki z przemysłu nawozów azotowych, produkcji materiałów wybuchowych)

2.        jako II stopień oczyszczania ścieków zawierających N-NH4, N- NO3

czasem stawy biologiczne wysoko obciążone w których jako anion pobierający (źródło węgla) wystarcza biomasa glonów. (jak I stopień)

3.        jako III stopień  : z tzw. „wewnętrznych” źródeł węgla np. komunalne, petrochemiczne (biotransformacja azotanowa)

4.        denitryfikacja wyprzedzająca (przed nitryfikacją)

korzystanie z wewnętrznych źródeł węgla – ścieki np. komunalne, petrochemiczne (przy czym mamy do czynienia z dwoma różnymi bioreaktorami : w jednym odbywa się nitryfikacja, w drugim denitryfikacja)

Szczególny przypadek : denitryfikacja alternatywna (DèN, przy czym JEDEN bioreaktor podzielony na dwa zbiorniki) – odwrotność den. Wyprzedzającej

5.        denitryfikacja jednoczesna / symultaniczna

Stosowana, gdy parametry techniczne urządzenia umożliwiają jednoczesny przebieg nitryfikacji (fazy tlenowej) i denitryfikacji (fazy beztlenowej)

6.        Denitryfikacja przerywana (naprzemienna)

Na przemian etapy napowietrzania (nitryfikacja) i beztlenowe (denitryfikacja)

Denitryfikacja jest stosowana do:

-          usuwania utlenionych form azotu ze ścieków

-          rzadziej służy do oczyszczania ścieków organicznych, ponieważ w większości ścieków jest za mało azotanów i azotynów.

-          Oczyszczane ścieki zanieczyszczone węglowodorami (np. ścieki przemysłu petrochemicznego pod warunkiem dostarczania tzw. zewnętrznego akceptora elektronów)

-          Wydajność = kilkanaście do kilkuset mg N/ litr / dobę.

 

BAKTERIE REDUKUJĄCE SIARCZANY (SRB)

 

Występują tam, gdzie panują warunki beztlenowe, dostępne są substancje organiczne i siarczany.

-          wody kopalniane

-          bogate w siarczany ścieki przemysłowe

-          bioreaktory

-          przemysł ropopochodny

-          naturalne ujęcia gazu

-          osady siarki

-          słone zbiorniki

SRB – bakterie obligatoryjnie beztlenowe które energię potrzebną do wzrostu uzyskują na drodze utlenienia substratu organicznego  wykorzystując SO42- jako akceptor elektronów (także tiosiarczany i siarczyny, nawet siarka elementarna). Preferują związki węgla będące produktami fermentacji, powstające w czasie beztlenowego rozkładu materii organicznej i kwasów organicznych (mlekowy, pirogronowy, mrówkowy, octowy, alkohole – metanol, etanol, propanol)

 

Bakteryjna redukcja siarczanów umożliwia :

-          usunięcie ze ścieków siarczanów poprzez przeprowadzenie ich do H2S

-          usunięcie toksycznych stężeń metali ciężkich

-          zmniejszenie stopnia zakwaszenia ścieków

siarczany : to sole mocnego kwasu, powstające sole węglanowe są słabsze, pozwala to na zalkalizowanie roztworu nawet o 3-4 jednostki)

-          usuwanie związków organicznych

 

SRB znajdują zastosowanie w oczyszczaniu:

-          wód kopalnianych (duże ilości metali ciężkich)

 

odpływ

dopływ

Zn

317

0,3

Mn

26

0,5

Ni

0,9

0,02

Cd

0,3

0,003

Cu

273

0,7

SO3-

3000

2,200

HS-

0

100

pH

6,2

7,1

-          ścieków z fabryk metalurgicznych, galwanizerni

-          odcinki ze składów komunalnych, wysypiska

 

 

Dwustopniowe oczyszczanie ścieków : I etap beztlenowy, II tlenowy

 

składnik

Zn

SO4-2

HS- / H2S

S0

etanol

potencjał redox (mV)

dopływ

145

960

0

0

500

+150

po I etapie

0,5

10

245

0

<10

-410

po II etapie

<0,1

15

4

203

<1

-300

odpływ

<0,1

15

3

5

<1

-200

 

Utlenienie SO4-2 do HS- / H2S, a następnie HS- / H2S do wolnej siarki (w II etapie).

1.        Biologiczne usuwanie odpadów stałych, kompostowanie i produkcja biogazu

2.        Bioremediacja gleb i wód gruntowych

3.        Mikrobiologiczne ługowanie – odzysk metali

4.        Biotechnologia odsiarczania ropy naftowej

5.        biotechnologia odsiarczania węgla

 

ODPADY STAŁE

Przemysłowe 94 %

Komunalne 6 % 8-12 mln ton rocznie (300-400 kg /na 1 mieszkańca rocznie)

Ogólnie : 4 mld ton na wysypiskach.

 

Metody unieszkodliwiania odpadów stałych w różnych krajach

 

masa odpadów

Spalanie %

Składowanie %

kompostowanie %

Recykling %

Niemcy

410

36

46

2

16

POLSKA

330

0

99

1

Nb

Irlandia

310

0

97

0

3

Szwajcaria

550

59

12

7

22

Kompleksowy przerób odpadów komunalnych :

-          segregowanie (bez niego inne nie mają sensu)

-          procesy biotechnologicznego unieszkodliwiania frakcji organicznej

o         kompostowanie (proces tlenowy)

o         produkcja biogazu (proces beztlenowy)

§          z odpadów komunalnych

§          z odpadów przemysłowych

-          spalanie (traktowane jako ostateczne)

-          składanie (traktowane jako ostateczne)

 

Ustawa z dnia 27 IV 2001 o odpadach (dziennik ustaw 4 numer 62)

-          odpady komunalne

-          odpady rolnicze

-          odpady rzemieślnicze

-          odpady przemysłowe

-          odpady ściekowe (szeregu zanieczyszczeń nie jesteśmy w stanie rozłożyć metodą metanogenezy, archeony są wrażliwe na jony metali ciężkich)

Rozkład resztek roślinnych

20-30˚ C mezofile

50˚ C termofile

Kompostowanie : proces częściowego rozkładu substancji organicznej w warunkach tlenowych pod wpływem mikroorganizmów do prostych połączeń (CO2, NH4, H2O, P2O5)

oraz trudno rozkładalnych resztek noszących miano kompostu.

 

Podział bakterii ze względu na wymagania temperaturowe :

 

minimum

Optimum

maksimum

psychrofile

-10     +5

+10   +20

+13   +25

mezofile

+10    +15

+30   +40

+30   +50

termofile

+25    +45

+50   +75

+75   +100

 

Technologie kompostowania :

-          ekstensywna (do 6 miesięcy)

o         pryzmy napowietrzania

-          intensywna (ok. 4-6 tygodni)

o         bioreaktory silosowe

o         bioreaktory obrotowe

o         bioreaktory tunelowe

o         wieże kompostowe

1. metoda Dynako (?) – w pryzmach mieszaniny różnych rodzajów odpadów

2. Mod – Herhoff (?) – ścieki wprowadzane przez biostabilizator, na tej zasadzie działa oczyszczalnia technologią kompostową w Katowicach

3. System Danno – oczyszczalnie kompostowe : otrzymanie złomu żelaznego , a potem kompostu.

 

Stosunek C/N w suchej masie wybranych materii organicznych

 

C

N

Gnojówka

1,9 – 3,1

1

Trawa po skoszeniu trawnika

12

1

Wydaliny zwierząt

15

1

Słoma roślin strączkowych

15

1

Świeży obornik z mała ilością słomy

20

1

Odpadki kuchenne

23

1

Nać ziemniaków

25

1

Świeży obornik z dużą ilością słomy

30

1

Przegniłe trociny

208

1

Świeże trociny

511

1

Najłatwiej rozkładane są odpadki kuchenne, najtrudniej świeże trociny (za dużo węgla), w przypadku gnojówki (zbyt mało węgla, nastąpi tylko lekki rozkład)

Czynniki wpływające na przebieg kompostowania:

-          stosunek węgla do azotu (idealny stan koło 20 – najlepiej rozkładane)

-          wilgotność masy kompostowej wynosząca 65-70 %

-          natlenienie  8 dm3 O2 / g  suchej masy, zaleca się stosunek 5 – krotnego nadmiaru powietrza

-          proces mineralizacji organicznej można znacznie przyśpieszyć włączając do procesu kompostowania dżdżownicę Eisenia Fuctida (dżdżownica kalifornijska) – uzyskanie remikompostu. Wymagania do wprowadzenia :

o         duża wilgotność 75-80 %

o         stosunek C / N 20

o         Gdy pojawi się  fauna glebowa – dopiero w tym momencie można wprowadzić  dżdżownicę kalifornijską!

o         temperatura 0 –35 (max aktywność 12-28˚ C)

o         np. hodowla kurcząt (uwielbiają dżdżownice), ale nie nadają się późneij do konsumpcji – w ich żołądkach zbyt wiele metali ciężkich – hodowla przy ścisłej kontroli ilości metali ciężkich – opłacalne ?

Bilans kompostowania :

100 kg odpadów organicznych zawiera:

-          50 – 70 kg H2O

-          20-35 kg stałej materii organicznej

-          10-15 kg stałej materii nieorganicznej

Z tego po oczyszczeniu otrzymamy :

-          25-40 kg kompostu

-          10 –15 kg wody

-          10-15 kg pozostałości organicznych

-          5-10 kg pozostałości nieorganicznych

-          40-60 kg pary wodnej (?)

-          0-2 kg odcieki

BIOGAZ – powstaje na wysypiskach śmieci.

-          uporządkowane (mniej) : odpowiednie przystosowanie wysypiska przed wywiezieniem odpadów, po zainstalowaniu instalacji do odbierania biogazu wysypiskowego (CH4)

-          nieuporządkowane (więcej) wysypiska

Zmiany zależności składu gazowego od wieku składowiska  (rysunek poniżej):

I : N2  i O2

II : procesy fermentacyjne , coraz mniej powietrza : H2 i CO2                        (duże ilości, świadczą o zachodzącym procesie fermentacji)

III : metanogeneza niestabilna – brak równowagi między CO2 a CH4. (CO2 przechodzi w CH4)

IV stabilna : równowaga , stale produkowany metan. ]

1 tona odpadów è 200 kg materii organicznej è 150 m3 / h biogazu wysypiskowego

 

Emisja biogazu wysypiskowego powoduje :

-          wzrost w atmosferze stężenia CO2, CH4 (gazów odpowiedzialnych za tzw. efekt cieplarniany)

-          zanieczyszczenie atmosfery substancjami szkodliwymi dla zdrowia

-          niebezpieczeństwo wybuchu CH4

-          zahamowanie wegetacji roślin

Emisja CH4  wynosi 30 –40 mln ton rocznie

Główne źródła emisji :

-          pokłady węgla kamiennego

-          wysypiska komunalne ( 52 % objętości metan, 44 % CO2, 1,59 % wodór, 1,59% CO)

-          przewód pokarmowy zwierząt (około 6% światowej emisji CH4  powstaje w przewodzie pokarmowym zwierząt hodowlanych np. owiec)

Brevibacillus parabrevi – wprowadzony do przewodu pokarmowego owiec wytwarza zamiast CH4 èCO2 (produkuje nawet  o połowę mniej metanu)