Metody biotechnologiczne w ochronie środowiska ćw.1

 

Wykorzystywanie mikroorganizmów w ochronie środowiska.

 

1.        ochrona przed zanieczyszczeniem

-          oczyszczanie odpadów (głównie wykorzystywane mikroorganizmy w procesach kompostowania)

-          oczyszczanie ścieków (chronienie wody)

-          oczyszczenie gazów odlotowych (zapobiega zanieczyszczeniu powietrza)

-          procesy biohydrometalurgiczne (organizmy służą do otrzymywania metali)

-          produkcja biopolimerów

-          wytwarzanie biopaliw

2.        odnowienie środowiska po zanieczyszczeniu

-          bioremediacja (odnowa środowiska , procesy wykorzystujące mikroorganizmy do oczyszczania już skażonych środowisk)

OCZYSZCZANIE ŚCIEKÓW

 Wykorzystywane głównie bakterie przy zastosowaniu metod biologicznych (osad czynny, złoże biologiczne)

Osad czynny – metoda, w której mikroorganizmy w procesach metabolicznych rozkładają zanieczyszczenia znajdujące się w ściekach.

Ścieki – wszystkie wody zużyte, mogą zawierać różne związki chemiczne, organiczne lub nieorganiczne czy mieszane.

 

Podział ścieków wg. miejsca powstawania

Bytowo – gospodarcze

<komunalne, miejskie>

związki głównie organiczne powstające z resztek jedzenia, czynności fizjologicznych, zmywania, sprzątania itp.

Zawierają głównie białka, cukry, tłuszcze, ewentualnie detergenty, proszki do prania(związki trudno rozpadalne, kłopotliwe dla bakterii)

 

Przemysłowe

W zależności od rodzajów przemysłu :

-          rolno - spożywczy (przetwórnie, rzeźnie, cukrownie, gorzelnie :  związki łatwo rozkładalne przez  bakterie, ale może ich być dużo : ścieki mocno obciążone

-          chemiczny (zawierają skomplikowane w budowie związki, czasem toksyczne, do ich oczyszczenia nie wystarcza tylko oczyszczalnia biologiczna)

Oczyszczalnia Czajka : biologiczne oczyszczanie, metod osadu czynnego.

Ścieki rolnicze (osobna grupa) : powstają w czasie spływów z pól, zawierają nadmiar nawozu. Spływ bezpośredni do jezior è może powodować np. nadmierne zakwity glonów.

Ścieki radioaktywne – w zasadzie czysta woda + ewentualne pierwiastki radioaktywne . Nie powinny dostawać się bezpośrednio do odbiornika. Nieduża ilość – redukowana przez np. zatężenie (wtedy jest przechowywana jak odpady radioaktywne), lub rozcieńczenie.

Wody pochodnicze – bezpośrednio odprowadzane do odbiornika podnoszą jego temperaturę.

Wody opadowe – powstają z opadów, roztopów, duże ilości piasku, ewentualnie związki niebezpieczne (to, co spłukane z ulic, placów)

 

Ścieki mogą zawierać różne związki , z którymi mikroorganizmy radzą sobie w procesach oczyszczania / zużywanie związków na oddychanie i odżywianie, procesy kataboliczne i anaboliczne. Redukcja siarczanów , azotanów (denytrifikacja) è oczyszczanie ścieków przez bakterie w warunkach beztlenowych. Aby scharakteryzować ścieki wykonujemy oznaczanie chemiczne (co do wyboru metody oczyszczania gdzie są odprowadzane oczyszczone ścieki , co się w nich znajduje). Laboratoria przy oczyszczalniach : kontrola ścieków dopływajacych i odpływających. Badanie pracy „osadu czynnego” è badanie opadu „kłaczków” , szeregi analiz : badanie, w jakim stopniu ścieki zostały oczyszczone.

 

METODY TLENOWE

-          osad czynny

najważniejsze jest doprowadzenie tlenu (urządzenia napowietrzające np. sprzężone powietrze). Komora napowietrzania – w niej znajduje się osad czynny (czyli mikroorganizmy w postaci kłaczków è łatwo je odprowadzić od ścieków oczyszczonych). Układ ciągły : osad czynny nie marnuje się, nienapowietrzany jest łatwy do oddzielenia od ścieków, potem wraca do komory napowietrzającej (dzieje się to w tak zwanym osadniku – odpływanie ścieków oczyszczanych ). Ilość ścieków doprowadzonych równa się ilości ścieków odprowadzonych. (dozowanie w sposób ciagly przez pompę)

 

-          złoże biologiczne

pryzmat  materiału wypełniającego (kamienie, plastikowe kształtki), ścieki przepływając między materiałem wypełniającym podłoże są adsorbowane przez błony biologiczne (spełniające ta samą rolę co osad czynny, mikroorganizmy rosnące na stałej powierzchni)

METODY POŚREDNIE

Oznaczanie i obliczanie ile potrzeba O2 do utlenienia związków znajdujących się w ściekach. Uniwersalna – nawet najtrudniejsze związki mogą być nimi oznaczane.

-          ChZT (chemiczne zapotrzebowanie na tlen)

Wykorzystuje K2Cr2O7 (dwuchromian potasu) wobec H2SO4 i H3PO4 w temperaturze 168 stopni Celsjusza do utleniania związków znajdujących się w ściekach. Obliczany w mg O2/l .

Im wyższe ChZT tym ścieki są bardziej obciążone. K2Cr2O7 redukowane do Cr3+.  (tlenem z dwuchromianu są utleniane związki ze ścieków). Miareczkowanie siarczanem żelazowo(II)-amonowym. Miareczkując  odm. nadmiar Cr3+ (Fe2+ è Fe3+) . Daje możliwość utlenienia wszystkich związków ze ścieku.

Badany na odpływie i dopływie pozwala ustalić, w jakim stopniu pracuje oczyszczalnia.

-          Utlenialność

Ta sama zasada , ale utlenianie KMnO4 . Utlenia tylko proste związki znajdujące się w ścieku.

Na podstawie tych dwóch oznaczeń (ChZT i utlenialności) można ocenić „złożoność” związków. (np. 500 mg O2/l utlenione  KMnO4, i 1000 mg O2/l  utlenione K2Cr2O7 è z czego możemy wyczytać, iż  wśród składników badanej próbki mamy tyle samo związków trudno rozpuszczalnych co łatwo.

-          BZT 5

Oznaczenie ilości O2  wykorzystanego bezpośrednio przez bakterie (w ciągu 5 dni : całkowity rozkład wszystkich związków biologicznie dostępnych)

SKŁADNIKI

Związki charakterystyczne dla danych ścieków np. cukry proste. Wykonując ich oznaczenia na odpływie i dopływie badamy czy i jak pracuje oczyszczalnia

- oznaczanie  fenolu                                                                                                                                                                                                                    ścieki rafineryjno –petrochemiczne

ścieki komunalne

(nie występuje w ściekach mleczarskich)


metoda kolometryczna  - tworzenie barwnych kompleksów ze związkami dwuazowymi i paranitroaniliną. Reakcja dwuazowania – powstawanie podwójnego wiązania z NaNO2. Wysoka intensywność barwy wskazuje na duże ilości fenolu. Odczytanie transmitancji (przy długości fali 470 nm)

-          pH ścieków (badane przy użyciu pH-metru)

-          zasolenie (badane konduktometrycznie : tzw. przewodność – ilość związków mineralnych w ściekach)

¨       Oznaczenie opadalności (ml / l)

Objętość osadu czynnego jaką zajmuje po ½ h (30 min) opadania (bez warunków napowietrzających). Wykonywane w leju : 1 l zawartości komory napowietrzającej , odstawienie, odczytanie jaką objętość zajmuje osad . Na pracowni – badane po 100 ml

¨       Oznaczenie suchej masy (g / l)

Ile znajduje się osadu w postaci bezwodnej . Wysuszany w 105˚C. Schnie do 24 h.

¨       Indeks objętościowy osadu Mohlnera (ml /g)

Stosunek opadalności do suchej masy.

Mówi, jaką objętość zajmuje 1 g osadu bezwodnego . Na jej podstawie możemy powiedzieć czy wykorzystujemy prawidłową ilość osadu czynnego.

-          wynik w granicach  100 – 150 ml / g dobrze pracujący osad czynny

-          >150 tzw. spuchnięty osad czynny (kłaczki są lekkie , mogą być łatwo wyniesione z urządzenia i  wtórnie zanieczyszczać ścieki wydostające się do środowiska)

-          <100 zbyt mało, osad nie oczyszcza wszystkiego.

PRACA NA ĆWICZENIACH: przeprowadzamy badania na 6 rodzajach ścieków:

-          rafineryjno – petrochemiczne

(pochodzące z Płocka), trudne do rozkładu biologicznego : zawierają węglowodory proste, aromatyczne, wielocykliczne. Wykorzystywane bakterie wytwarzające enzymy konstytutywne, endo i egzoenzymy. (wytwarzane, gdy bakterie spotkają się z jakimś substratem , aby związki służyły jako źródło energii). Ścieki te są nieco tłustawe (oczyszczanie biologiczne przeprowadzane po wstępnym oczyszczeniu fizyko – chemicznym i mechanicznym – inaczej oczyszczalnia biologiczna by sobie nie poradziła, ścieki oblepiłyby osad hamując proces)

-          mleczarskie (kazeina, laktoza, niewielkie ilości tłuszczu, ewentualnie substancje żeliwkujące, kawałki owoców, soki ). Białawe, głównie pozostałości podczas przeróbek mleka oraz mycia urządzeń (mogą zawierać środki do mycia). Szczególnie niebezpieczna jest serwatka!

-          Komunalne

-          Rafineryjno – petrochemiczno – mleczarskie (czy jeśli w środowisku jest łatwy do zdobycia pokarm, to mikroorganizmy poprzestaną tylko na wykorzystywaniu jego jako  prostego źródła energii, czy tez „zajmą „ się związkami trudno rozkładalnymi?)

-          Rafineryjno  -petrochemiczno – komunalne (rozcieńczenie ścieków rafineryjnych)

-          Mleczarsko – komunalne (rozcieńczenie)

 

Początkowa charakterystyka ścieków (z I tygodnia ćwiczeń):

 

 

ChZT

FENOL

OPAD

pH

 

ZASOLENIE

Rafineryjno  -petrochemiczne

3060 mg O2/l

134 mg/l

270 ml / l

7,19

0,5 g/l

Mleczarskie

1350 mg O2/l

-

400 ml / l

7,78

0,3 g/l

Komunalne

724 mg O2/l

40 mg/l

260 ml / l

7,84

1,0 g/l

Rafineryjno  -komunalne

2230 mg O2/l

92,5 mg/l

270 ml / l

7,7

0,7 g/l

Komunalno – mleczarskie

1200 mg O2/l

26 mg/l

330 ml / l

7,64

0,7 g/l

Rafineryjno – mleczarskie

2280 mg O2/l

80 mg/l

340 ml / l

7,43

0,4 g/l

 

Badanie rozkładu związków dostających się do gleby (np. stacje benzynowe, okolice oczyszczalni). Czy uda się przywrócić glebę do jej „naturalnego „ stanu? (zanieczyszczenia mogą się dostawać do wód podziemnych np. fenol jest dobrze rozpuszczalny w wodzie)? Na ćwiczeniach zajmujemy się gleba skażona fenolem (najłatwiej go oznaczyć)? Wysiewamy ekstrakt gleby na podłoże bakteryjne i grzybowe (po wyekstraktowaniu fenolu) – jak gleba samodzielnie radzi sobie z oczyszczeniem? Czy pomagają jej w tym mikroorganizmy?

 

 

GLEBA (zawartość fenolu)

I

0,073 mg/l

II

0,135 mg/l

 

Największe obciążenie – ścieki rafineryjno – petrochemiczne (3060)

Najmniejsze obciążenie – komunalne (724)

Największa zawartość fenolu – ścieki petrochemiczno – rafineryjne

 

Recepty na ćwiczenia :

ChZT

Po 2 powtórzenia w dwóch erlenmayerkach. Dodajemy odpowiednią ilość ścieków (na 1 ćwiczeniach z dopływu). W zależności od obciążenia ścieków, trzeba wziąć różna ilość do oznaczenia według zasady  -im mniej obciążone, tym więcej. (r.p – 2 ml, m- 2 ml, k – 5 ml, r.p+k – 2ml, r.p+m – 2 ml, k+m – 2 ml). Dopełniamy wodą do 10 ml. Potem podchodzimy do wyciągu, gdzie dodajemy ok. 25 ml mieszaniny utleniającej (K2Cr2O7 + H2SO4 + H3PO4), ogrzewamy do temperatury 168ºC, oziębiamy w zlewie do temperatury pokojowej. Miareczkujemy zimną już próbę (solą Mohra) dodając wcześniej 3 krople ferroiny aż do osiągnięcia herbacianego zabarwienia.

Kontrola – to samo, tylko pomijając etap dodawania ścieku. (wykorzystywana do określenia miana soli Mohra)

 K2Cr2O7 - 0,05 n  5 * 0,05 / tyle, ile zeszło na zmiareczkowanie kontroli.(po dodaniu K2Cr2O7)

 

Wartość ChZT obliczamy ze wzoru:

(a - b)* miano soli Mohra * 8000 / V [ mg O2/l ]

a – kontrola (ile roztworu soli Mohra wykorzystano do jej zmiereczkowania)

b- ile roztworu soli Mohra wykorzystano do jej zmiereczkowania naszej próbki (średnio)

V – objętość próby wziętej do badań (ilość początkowa ścieków)

 

FENOL

 w ściekach

Oznaczany w cylindrze Nesslera, próbka ścieku (r.p – 1 ml , k – 5 ml , m –brak  , r.p+ k – 2 ml, r.p + m  - 2 ml, k+m – 2ml )dopełniona do 100 ml. Ponad kreskę stosowany odczynnik (5 ml węglanu sodu , aby zapewnić środowisko alkaliczne, potem 2 ml zdwuazowanej paranitroaniliny), oznaczenie Transmitancji.

W glebie

Odważenie 1 g, wsypanie do erlenmayerki, dodanie 10 ml wody. Chwilę wytrząsać. Odsączyć glebę przez sączek z bibuły. 1 ml przesączu + 100 ml wody, oznaczenie wykonane metodą kolometryczna.

 

OPADALNOŚĆ

Pobieramy 100 ml, odstawiamy na 30minut. Po tym czasie odczytujemy opadalność (w ml! Należy zamienić na litry!!). Zlewamy płyn  znad osadu, dopełniamy ponownie do 100 ml, mieszamy dokładnie, pobieramy próbkę 10 ml, przelewamy do specjalnej próbówki i umieszczamy w wirówce (nastawiana na 5000 obrotów na minutę) W tym czasie określamy tarę naczynka. Po odwirowaniu zlewamy wodę znad osadu, sam osad umieszczając w naczynku. (pozostawione do wysuszenia).

 

Pierwotniaki – zjadają bakterie niezwiązane w kłaczkach osadu czynnego.  (pożądane)

Nicienie, wrotki, pajęczaki, larwy owadów – ich obecność wpływa raczej niekorzystnie na jakość oczyszczania

 

ĆWICZENIA II

Badanie ChZT i fenolu w ściekach znajdujących się w odpływie. Fenol z gleby także został usunięty całkowicie. (występuje zjawisko naturalnej bioremadiacji) . Fenol jest dobrym źródłem węgla dla bakterii (został usunięty w całości także ze ścieków). Po ChZT ścieków r.p + m widać, ze bakterie równorzędnie zjadają związki łatwo i trudno rozkładalne.

 

 

Rafineryjne

Mleczarskie

komunalne

r.p + m

r.p + k

k+m

pH w komorze napowietrzającej

8.6

8,5

7,7

8,7

8,5

7,8

pH w dopływie

7,19

7,78

7,84

7,43

7,7

7,64

pH w odpływie

8.2

8,2

7,6

8,5

8,1

7,7

Opadalność (I tydzień)

270 ml/l

400 ml/l

260

340 ml/l

270 ml/l

330 ml/l

Sucha masa

3,3 g/l

6,3 g/l

3,8 g/l

4,5 g/l

3,9 g/l

5,1 g/l

Indeks obj.

81,82

63,5

68,4

75,5

69,23

64,71

Opadalność (II tydzień)

360 ml/l

 

270 ml/l

380 ml/l

300 ml/l

335 ml/l

ChZT dopł.

3060 mgO2/l

1350 mgO2/l

724 mgO2/l

2280 mgO2/l

2230 mgO2/l

1200 mgO2/l

ChZT odpł.

161,04 mgO2/l

326,96 mgO2/l

195,2 mgO2/l

73,2 mgO2/l

151,28 mgO2/l

92,72 mgO2/l

% zredukowania

94,74 %

75,8 %

73 %

96,79 %

93,22 %

92,27 %

Fenol w dopł.

134

-

40

80

92,5

26

Fenol w odpł.

0

-

0

0

0

0

% zredukowania

100%

-

100 %

100 %

100 %

100%

 

KZT (kontrola zawartości tlenu)

Ścieki przebywające w danym miejscu odpowiednio długo mogą ulec zagniwileniu. Zapobiega temu kontrola zawartości tlenu np. przy wykorzystaniu błękitu metylowego (gdy brakuje w ściekach tlenu przechodzi w związek bezbarwny – po odpowiednim czasie np. 1 h, 1 doba itp.), informuje nas o tym, jak szybko tlen jest zużywany.

Po wykonaniu szeregu analiz w ściekach dopływających i odpływających możemy się dowiedzieć, w jakim stopniu są one oczyszczone. Ścieki odpływające pobierane są z osadnika.

 

Ścieki o pH w granicah 7,5 – 8,5 może być spokojnie odprowadzane do osadnika (odpływu).

 

CWICZENIA 3

 Do tej pory  usuwaliśmy ze ścieków tylko związki węglowodorowe. Ale znajdują się przecież w nich także inne związki niebezpieczne dla środowiska takie jak azot (N) czy fosfor (P). Ich nadmiar może spowodować eutrofizację wód.

AZOT

Można go jedynie usunąć drogą denitryfikacji. Aby mikroorganizmy mogły przeprowadzić ten proces, w ściekach muszą znaleźć się  azotyny / azotany. Niestety, dość często dostaje się azot w postaci związków amonowych – w takim przypadku należy przeprowadzić w warunkach tlenowych proces nitryfikacji. (w jego wyniku związki amonowe zostają przeprowadzone w azotany, azotyny) przy czym następuje jedynie zmiana formy! Droga ostatecznego usunięcia to oddychanie beztlenowe, gdzie końcowy akceptor elektronu to NO3 lub NO2 (redukowane do wolnego azotu  N2)

 

NH4+ + 3/2 O2 è NO2- + H2O + 2H+ + En (nitrosobakterie)

NO2- + ½ O2è NO3- + En (nitrobakterie)

FOSFOR

Powinien być usuwany raczej drogą chemiczną (choć obecnie coraz więcej mówi się o tańszej drodze biologicznej i właściwościach niektórych mikroorganizmów, które mogą kumulować w swoich org. polifosforazy.

TZT (teoretyczne zapotrzebowanie na tlen)

Znając związek obecny w ściekach, wiedząc na czym polega jego usunięcie (np. najprostsze : w przypadku węglowodorów utlenienie do H2O i CO2) możemy wyliczyć TZT.

Np.

                C6H12O6 + 6O2 è 6 CO2 + 6H2O

 mC6H12O6 = 180g

 m 6O2 = 6 * 32 = 192 g

Powiedzmy, że badane ścieki zawierają 1 g glukozy na 1 litr. Ile potrzeba do ich utlenienia? TZT badamy w ilości mg O2 na litr, stad :

180 g è 192 g

1 g   è   x                                          

x=192/180=1,066 g = 1066 mg O2/l

TZT ulega zsumowaniu w przypadku różnych związków obecnych w badanej próbce.

 

ChZT odpł

% red.

Fenol odpł

% red

Opad

s.m

indeksM

Zasolenie I

Zas. II

p-r

205

93,3

6

95,5

360

3

120

0,5

0,4

K

46,8

93,53

0

100

270

3,8

71,1

1

0,5

M

64,8

95,2

-

-

430

5,6

76,79

0,3

0,3

p-r + k

54

97,58

0

100

300

5,5

54,5

0,7

0,4

K+m

93,6

92,2

0

100

335

4,1

81,71

0,7

0,4

p-r + m

87,8

96,37

0

100

380

5

76

0,4

0,4

Duża poprawa w oczyszczaniu – obciążenie zmalało. Indeksy  -ogólnie poprawa (lepsza praca osadu czynnego ) w okolicach 100 – w przypadku hodowli stacjonarnych to, z eta liczba jest dość mniejsza od 100 jest prawidłowa – wszystko jest w porządku.

Fenol – poprzednio go nie było, teraz pojawił się ponownie w petrochemiczno – rafineryjnych.... niedobrze!!

Zasolenie mniejsze – sole ulegają zatrzymaniu w kłaczkach w minimalnym stopniu.

 

DO ZAPAMIĘTANIA Z MET.TLENOWYCH

-          metoda (warunki tlenowe, mikroorganizmy w osadzie czynnym)

-          sposób badania (ChZT, fenol)

-          charakterystyka osadu czynnego (opadalność, sucha masa, wyliczenie indeksu – czy osad nie jest spuchnięty?)

-          pH (aby wykorzystać tą metodę musimy zapewnić mikroorganizmom odpowiednie pH)

-          zasolenie (ilość substancji mineralnych)

W ściekach „surowych” (na dopływie) należy sprawdzić obecność N i P, potem na odpływie (jeżeli są , to ścieki powinny być wpuszczone na kolejny etap oczyszczania)

 

Preparaty [pod mikroskopem:

-          kłaczek nie jest zwartą strukturą, jest nieregularny, z dużą ilością wolnych przestrzeni – zwiększają one powierzchnię czynną osadu!

-          Mogą się pojawiać pierwotniaki (pożądane), nicienie i skąposzczety (mniej, wyjadają pierwotniaki), nici grzybów (w zbyt dużych ilościach mogą być odpowiedzialne za spuchnięcie osadu)