Biologiczne usuwanie fosforu ze ścieków - Eko-DOk

abakterie akumulujące fosfor (PAO),bakterie dPAO, defosfatacja,proces EBPR
Ewa GALAS, Katarzyna PIEKARSKA*
BIOLOGICZNE USUWANIE FOSFORU ZE ŚCIEKÓW
Fosfor, podobnie jak azot, jest pierwiastkiem niezbędnym do prawidłowego rozwoju wszystkich organizmów. Przez wiele lat uważano, że oba te pierwiastki w równym stopniu odpowiedzialne są za
proces eutrofizacji. Dopiero badania przeprowadzone przez Schindlera wykazały, że w wodach słodkich to fosfor jest pierwiastkiem limitującym wzrost troficzności [1]. Wskutek masowego rozwoju
organizmów fitoplanktonowych takich jak sinice i zielenice środowisko wodne staje się szkodliwe dla
zamieszkujących je organizmów żywych, a woda niezdatna do spożycia. Z tego powodu należy
zwrócić szczególną uwagę na działania pozwalające na obniżenie stężenia fosforu w zbiornikach
wodnych.
WSTĘP
Eutrofizacja może zachodzi z przyczyn naturalnych lub antropogenicznych. Naturalny wzrost troficzności wywołują związki mineralne i materia organiczna spływająca z obszaru zlewni, rozkładana przez mikroorganizmy żyjące w wodzie. Proces ten
postępuje bardzo powoli i może trwać nawet kilka tysięcy lat. Eutrofizacja antropogeniczna spowodowana jest przez odprowadzanie nieodpowiednio oczyszczonych ścieków komunalnych i przemysłowych, a także przez spływy z nawożonych gleb rolniczych. Proces ten przebiega bardzo szybko, w przypadku niewielkich zbiorników
wodnych całkowita eutrofizacja może nastąpić w czasie kilku lat.
Przy ocenie stopnia eutrofizacji wód powierzchniowych płynących stosowane są
takie wskaźniki jak: stężenie fosforu ogólnego, azotu ogólnego, azotu azotanowego,
azotu azotynowego, chlorofilu A oraz przeźroczystość wody. Przekroczenie wartości
stężenia fosforu 0,25mg P/dm3 klasyfikuję wodę, jako wodę wrażliwą na eutrofizację.
W raporcie o stanie czystości rzek w Polsce Państwowej Inspekcji Ochrony Środowiska czytamy, że w okresie od 01.01.2009 do 31.12.2009 na 16 punktów kontrolno__________
* Politechnika Wrocławska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, Wybrzeże Wyspiańskiego 27,
50-370 Wrocław, [email protected]
164
E. GALAS
pomiarowych (ppk) na terenia miasta Wrocławia, aż w 13 ppk stwierdzono przekroczenie wskaźnika fosforu ogólnego. Ponadto, woda we wszystkich tych punktach pomiarowych została uznana za wody wrażliwe na zanieczyszczenia azotowe. Porównując w skali kraju wartość procentową ilości ppk z wodami wrażliwymi w roku 2009
odnotowano niewielki spadek ok. 1% w odniesieniu do roku 2008. Spadek ten jest
niewielki, dlatego należy zwrócić szczególną uwagę na ograniczenie ilości doprowadzanego do odbiornika biogenów ze źródeł antropogenicznych [2].
Jak już wspomniano to fosfor jest pierwiastkiem limitującym wzrost trofi w zbiornikach wodnych. Graniczne stężenie, powyżej którego obserwuje się intensywny rozwój glonów wynosi 0,1 gPO4/m3. W Polsce dopuszczalne stężenie fosforu w ściekach
oczyszczonych wprowadzanych do wód powierzchniowych dla równoważnej liczby
mieszkańców RLM większej od 100 000 wynosi 1,0 gP/m3 (90% redukcji). Dla porównania w Kanadzie stężenie fosforu w ściekach oczyszczonych odprowadzanych do
odbiornika musi mieścić się w przedziale 0,3-0,5 gP/m3 [3]. W celu przeciwdziałania
procesowi eutrofizacji niezmiernie ważne jest zwiększenie efektywności oczyszczania
ścieków oraz obniżenie wartości dopuszczalnego stężenia fosforu odprowadzanego do
wód powierzchniowych. Ponadto, powinna zostać wprowadzona kontrola zanieczyszczeń u źródła ich powstawania. W ściekach surowych stężenie fosforu waha się od 5 g
P/m3 do 20 g P/m3, niższe stężenia obserwowane są w ściekach pochodzących z obszarów, na których stosowane są środki piorące nie zawierające fosforanów. Przyjmuje się, że fosfor pochodzący z detergentów stanowi od 50% do 75% całej zawartości
tego pierwiastka w ściekach [4]. Dlatego niezmiernie ważne jest wprowadzenie kontroli polegającej np. na zmniejszeniu zużycia środków piorących zwierających fosforany lub ich całkowite wycofanie z użycia, co może przyczynić się do znacznego obniżenia ładunku fosforu w ściekach.
1.USUWANIE FOSFORU ZE ŚCIEKÓW
Związki fosforu ze ścieków można usuwać różnymi metodami. Obecnie największym uznaniem cieszą się procesy biologiczne, oparte na działalności mikroorganizmów osadu czynnego. Usuwanie fosforu w konwencjonalnych układach oczyszczania ścieków wykorzystuje zjawisko asymilacji zwykłej, wynikającej
z zapotrzebowania fosforu na syntezę nowej biomasy. Proces ten umożliwia obniżenie
stężenia fosforu w ściekach oczyszczonych do poziomu 3-15 g P/m3 (redukcja 20%30%). Efektywność biologicznego usuwania fosforu można podwyższyć wykorzystując zdolność pewnych grup bakterii heterotroficznych tzw. PAO (ang. Phosphate Accumulating Microorganisms) do nadmiarowego gromadzenia fosforanów w komórkach w postaci ziaren polifosforanowych [5].
Biologiczne usuwanie fosforu ze ścieków
165
1.1. PROCES WZMOŻONEJ BIOLOGICZNNEJ DEFOSFATACJI (ANG. ENHANCED
BIOLOGICAL PHOSPHOROUS REMOVAL - EBPR)
Proces wzmożonej biologicznej defosfatacji wymaga zapewnienia naprzemiennych
warunków beztlenowo-tlenowych lub beztlenowo-anoksycznych, umożliwiających
selekcję i rozwój specyficznych drobnoustrojów przejawiających zdolność do magazynowania wewnątrz komórek związków fosforu w ilości kilkukrotnie przekraczającej
ich normalne fizjologiczne zapotrzebowanie [3]. Nadmiar fosforu gromadzony jest
wewnątrz komórki w postaci polifosforanów. Są to wielkocząsteczkowe biopolimery
złożone z kilku do kilkunastu tysięcy reszt fosforanowych połączonych wysokoenergetycznymi wiązaniami fosforanowymi. W komórkach występują w połączeniach
z różnymi jonami metali takimi jak: potas, magnez i wapń. Polifosforany służą, jako
magazyny energii pozwalające przeżyć bakteriom w warunkach beztlenowych.
Związki te mogą być gromadzone w różnych częściach komórek, ale przeważnie występują w postaci ziaren wolutyny w obrębie cytoplazmy [6].
Proces wzmożonej biologicznej defosfatacji rozpoczyna się od fazy beztlenowej,
gdzie bakterie poddawane są „sytuacji stresowej”. W warunkach deficytu tlenowego
bakterie pobierają rozpuszczone w ściekach substancje organiczne i przekształcają je
w substancję zapasową w postaci kwasu poli-β-hydroksymasłowego (PHB). Odbywa
się to kosztem energii uwalnianej w czasie hydrolizy polifosforanów. W wyniku hydrolizy powstają ortofosforany, które następnie uwalniane są do ścieków, powodując
wzrost ich stężenia (rys.1).
Rysunek 1. Przebieg biologicznego usunięcia fosforu w wyniku nadmiernego pobierania [12].
W warunkach tlenowych bakterie wykorzystują nagromadzone wcześniej wewnątrz komórek substancje zapasowe (PHB), jako źródło węgla i energii. Część energii wykorzystywana jest do potrzymania procesów życiowych oraz do syntezy nowej
biomasy. Natomiast uzyskany jej nadmiar zużywany jest na pobór fosforanów ze ście-
166
E. GALAS
ków w celu odbudowy wewnątrzkomórkowych złogów polifosforanów, a także na
syntezę glikogenu.
Intensywność tego procesu jest tak znaczna, że sumaryczna ilość fosforanów pobieranych ze ścieków jest większa niż ta, która została wydzielona w fazie beztlenowej [7].
1.2. PROCES DEFOSFATACJI DENITRYFIKACYJNEJ
Przez wiele lat uważano, że bakterie defosfatacyjne mogą rosnąć i nadmiarowo
gromadzić fosfor jedynie w warunkach beztlenowo-tlenowych. Dopiero w latach 80
XXw. odkryto, że jeśli w oczyszczanych ściekach wystąpią azotany, przy braku tlenu
rozpuszczonego, bakterie zdolne do nadmiarowego akumulowania fosforanów wykorzystają je, jako akceptory elektronów w procesie utleniania kwasu poli-βhydroksymasłowego (PHB). Dodatkowo okazało się, że w warunkach anoksycznych
równocześnie możliwe jest usuwanie fosforu i azotu poprzez redukcję azotanów do
azotu gazowego przez denitryfikujące bakterie akumulujące polifosforany tzw. dPAO
(ang. Denitrification Phosphate Accumulating Microorganisms). Proces defosfatacji
denitryfikacyjnej jest bardziej opłacalny. Korzyści wynikają ze znacznie niższego
sumarycznego zapotrzebowania na związki węgla, mniejszego zużycia tlenu wykorzystywanego jedynie na potrzeby procesu nitryfikacji i akumulację pozostałych po fazie
anoksycznej ortofosforanów oraz mniejszej produkcji osadów. Mniejsze zapotrzebowanie na węgiel organiczny jest szczególnie istotne w przypadku ścieków o wysokim
stężeniu związków biogennych w stosunku do węgla organicznego [8]. Należy dążyć
do intensyfikacji procesu defosfatacji denitryfikacyjnej w oczyszczalniach przepływowych.
2. BAKTERIE AKUMULUJĄCE POLIFOSFORANY (PAO)
Zdolność do gromadzenia fosforanów w ilości znacznie większej, niż jest wymagana do przeżycia komórki posiada wiele mikroorganizmów, zwłaszcza bakterie.
Szacuje się, że bakterie kumulują 10 razy więcej fosforu niż cała roślinność Ziemi.
Wynika to z odmiennego stosunku C:N:P w biomasie tych organizmów. Zawartość
fosforu w mikroorganizmach wynosi od 1,0% do 2,0%, w roślinach zaś od 0,05% do
1,0% [9].
W procesie wzmożonej biologicznej deosfatacji wykorzystywana jest zdolność organizmów osadu czynnego do nadmiarowej akumulacji polifosforanów. Przez wiele
lat sądzono, że odkryty przez Fluhs i Chen w 1975 roku szczep Acinetobacter sp.
z grupy γ-Proteobacteria jest, jako jedyny, odpowiedzialny za proces EBPR. Jednakże, przeprowadzone w późniejszych latach badania wykazały, że nie jest on jedynym
Biologiczne usuwanie fosforu ze ścieków
167
ani nawet dominującym szczepem, a stanowi zaledwie od 5% do 16% wszystkich
organizmów osadu czynnego zdolnych do defosatacji (Cloete 1987). Badania przeprowadzone przez Brodisch i Joyner (1983) potwierdziły, że Acinetobacter nie jest
jedynym szczepem zdolnym do prowadzenia procesu EBPR, stwierdzili również, że
szczepy z rodziny Aeromonas i Pseudomonas stanowią od 15% do 20% wszystkich
kolonii [11].
Bakterie zdolne do akumulowania fosforanów należą m.in. do następujących klas:
α-Proteobacteria, β-Proteobacteria, γ-Proteobacteria, Bacteroidia, Actinobacteria
[10]. Przykłady szczepów bakterii zdolnych do nadmiarowego gromadzenia fosforanów wewnątrz komórki przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Przykłady szczepów bakterii zdolnych do nadmiarowego gromadzenia fosforanów [3,9,10,11].
Proteobacteria
β-Proteobacteria
γ-Proteobacteria
1.Bosea
thiooxidans,
2.Defluvicoccus
vanus,
3.Mesorhizobiu sp.
1.Acidovorax
avenae,
2.Dechloromonas
sp.,
3.Rhodocyclus sp.,
4. Lampropedia sp.
1.Anaeromyxobacter
dehalogenas,
2. Pseudomonas sp.
3. Acinetobacter
calcoaceticus,
4. Azotobacter agilis
Bactero
idetes
α-Proteobacteria
Klasa Bacteroidia
Actinobac
teria
Gromada
Klasa
Klasa Actinobacteria
Nostocoida limicola
1.Microbacterium nematophilus
2.Pseudonocardia zijingensis
Rozwój metod analizy mikrobiologicznej opartych o biologię molekularną umożliwił naukowcom wnikliwsze zbadanie bioróżnorodności bakterii PAO i dPAO. Kong
i wsp. [11] przy użyciu metody MAR-FISH udowodnili, że Accumulibacter posiada
zdolność do nadmiarowego gromadzenia fosforanów z wykorzystaniem, jako akceptorów elektronu, zarówno tlenu, jak i azotanów oraz azotynów.
Wang i wsp. (2008) wykorzystali metody PCR i DGGE do zbadania bioróżnorodności bakterii PAO w laboratoryjnym reaktorze SBR zaszczepionym osadem czynnym
z Oczyszczalni Ścieków „Wenchong” w Harbin. W trakcie badań wyizolowano 19
szczepów potencjalnie należących do grupy bakterii zdolnych do defosfatacji. U 12
z nich stwierdzono 94% podobieństwo genetyczne. Sześć szczepów zostało zakwalifi-
168
E. GALAS
kowanych do Proteobacterium, w tym 1 do α- Proteobacteria, 2 do β-Proteobacteria
i 3 do γ-Proteobacteria. Dwa spośród wszystkich wyizolowanych szczepów należały
do Actinobacteri (Tetrasphaera eleganta) i Gemmatimonadales (Gemmatimonas aurantiaca), 4 szczepów nie zidentyfikowano. Wang i wsp. stwierdzili, że Proteobacterium stanowiły znaczną cześć populacji bakterii PAO w badanym osadzie i odpowiadały za wzrost efektywności usuwania P. Udowodnili również, że wyizolowany
podczas badań szczep Tetrasphaera elongata wykazuje zdolność do magazynowania
wewnątrz komórek związków fosforu w ilości kilkukrotnie przekraczającej ich normalne fizjologiczne zapotrzebowanie. Naukowcy wykazali również, że Gemmatimonas aurantiaca, mimo, iż występuje w osadzie czynnym w niewielkiej ilości znacznie
poprawia efektywność usuwania fosforu [10].
PODSUMOWANIE
Przez wiele lat uważano, że w procesie EBPR w osadzie czynnym tylko jedna dominująca grupa bakterii posiada zdolność do nadmiarowego grodzenia fosforanów
wewnątrz komórki. Jednakże wiele przeprowadzonych badań, z wykorzystaniem metod inżynierii genetycznej, nad bioróżnorodnością bakterii PAO zaprzeczyło tej tezie.
Bakterie odpowiedzialne za proces wzmożonej biologicznej defosfataci nie tylko mogą stanowić niejednorodną grupę, ale mogą również charakteryzować się znaczną
zmiennością bioróżnorodności w czasie trwania procesu. Dlatego niezmiernie ważne
jest dalsze prowadzenie badań nad bioróżnorodnością bakterii PAO i dPAO oraz podejmowanie prób powiązania konkretnych organizmów z ich funkcją w procesie
EBPR. Wyniki tych obserwacji mogą być przydatne w zwiększeniu jego efektywności. Zwiększenie efektywności procesu przyniesie zmniejszenie ilości odprowadzanego fosforu do odbiorników, co z kolej przełoży się, na jakość zasobów wodnych.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
SCHINDLER, D.W., HECKY, R.E., FINDLAY, D.L., STAINTON, M. P., PARKER, B. R.,
PATERSON, M. J., BEATY,
K. G., LYNG, M., and KASIAN S. E. M., 2008, Eutrophication of lakes cannot be controlled by
reducing nitrogen input: Results of a 37-year whole-ecosystem experiment. Proceedings of National
Academy of Science, 105 (32), 11254-11258
SZCZEPAŃSKI W., JAROSIŃSKI W., DUDEK R., IWANIAK M., MORYC E., MUSIOŁ J.,
PNIAK G., SOKOŁOWSKA E., WAJDA B., Raport-Stan czystości rzek, 2010, Biblioteka Monitoringu Środowiska, ISBN 978-83-61102-44-1,
MIKSCH K., Biotechnologia ścieków, PWN, Warszawa 2010;69-79,
DYMACZEWSKI
Z.,
OLESZKIEWICZ,
J.A.,
SOZAŃSKI,
M.M.,
PORADNIK
EKSPLOATATORA OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW, PZITS, POZNAŃ 1995;
Biologiczne usuwanie fosforu ze ścieków
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[12]
169
S.K. WIĄCKOWSKI, PRZYRODNICZE PODSTAWY INŻYNIERII ŚRODOWISKA, STANISŁAW
K. WIĄCKOWSKI, KIELCE 2000; 459-470
SANDECKA Z., Podstawy biologicznego oczyszczania ścieków, PWN, Warszawa 2011, 196-219,
BASHAN de, L., and BASHAN, Y. 2004, Recent advances in removing phosphorus from
wastewater and its future use as fertilizer (1997–2003). Water Research, 38(19); 4222-4246
K. MIKSCH, Biotechnologia środowiska, Fundacja Ekologiczna „Silesia”, Katowice 1995;
M. ŻUBROWSKA-SUDOŁ, A. CYGANECKA, 2008 Proces defosfatacji denitryfikacyjnej, jako
alternatywna metoda usuwania ze ścieków związków biogennych, Biotechnologia 1 (80),136-145
ŁOMOTOWSKI J., SZPINDOR A., Nowoczesne systemy oczyszczania ścieków, Arkady Warszawa 1999,163-165
WANG X.., ZHANG K., REN N., LI N. REN L., 2009, Monitoring microbial community structure
and succession of an A/O SBR during start-up period using PSC-DGGE, Jurnal of Environmental
Sciences, 21(09), 223-228,
MINO T., M.C.M. van LOOSDRECHT, J.J. HEIJNEN, Microbiology and biochemistry of the
enhanced biological phosphorus removal process, 1998, Wat. Res., 32(11); 3193-3207,
http://www.wiedzainfo.pl/biologiczne_metody_usuwania_zwiazkow_biogennych_ze_sciekow.
PHOSPHOROUS REMOVAL FROM WASTEWATER
Phosphorus is the main factor of eutrophication in water resources. This element derives primarily from inadequately treated municipal and industrial wastewater. Currently, Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR) is the most popular method used in wastewater treatment. The microorganisms
primary responsible for the EBPR process are the PAO bacteria (Phosphate Accumulating Organisms),
which accumulate excess phosphorus in the form of polyphosphate under alternating anaerobic-aerobic or
anoxic conditions. There are many types of bacteria able to store phosphorus as polyphosphates in special
granules.