Biotechnologia środowiska dla OZE od 2014/2015 Ćwiczenie 7

Ćwiczenie 7
Biotechnologia środowiska dla OZE od 2014/2015
Biologiczne usuwanie fosforu ze ścieków
Związki fosforu
Związki fosforu zawarte w wodzie i ściekach dzieli się na trzy główne grupy: ortofosforany, polifosforany i fosfor organicznie związany. Fosfor
ogólny jest sumą trzech wymienionych form fosforu. Fosfor występuje w wodzie i ściekach w formie rozpuszczonej, w postaci koloidów i zawiesin.
Źródłem fosforanów występujących w wodach naturalnych i ściekach są związki organiczne pochodzenia zwierzęcego i roślinnego, ścieki
przemysłowe, jak np. z fabryk nawozów sztucznych, z zakładów produkujących środki czystości na bazie detergentów, ścieki miejskie, ścieki z
hodowli trzody chlewnej. Stężenie związków fosforu w ściekach surowych kształtuje się w granicach od kilkunastu do kilkudziesięciu mg/dm3.
Związki fosforu nie są toksyczne, lecz z uwagi na proces asymilacji fosforanów przez mikroorganizmy są czynnikiem powodującym eutrofizację.
Wzrost dopuszczalnych stężeń fosforanów w wodzie prowadzi do intensywnego rozwoju glonów. Przykładowo - 1g fosforu może spowodować
przyrost około 1700 g substancji roślinnej (masy glonów). Organiczne związki fosforu zawarte w biomasie są po jej obumarciu mineralizowane
przez drobnoustroje i enzymy do rozpuszczalnych fosforanów. Proces rozkładu materii komórkowej glonów jest procesem tlenowym, w którym
jest on częściowo zużywany na utlenienie azotu do azotanów a częściowo na utlenienie węgla do dwutlenku węgla. Orientacyjne, całkowite
zużycie tlenu w tych procesach jest równe 5 gO2/gN i 3 gO2/gC.
Duża ilość związków biogennych zawartych w ściekach surowych może spowodować więcej niż pięciokrotne wtórne zużycie tlenu w porównaniu
z pierwotnym zużyciem związanym z unieszkodliwianiem substancji organicznych zawartych w ściekach surowych. W związku z tym niezwykle
istotne jest zredukowanie zawartości związków biogennych w ściekach wypływających z oczyszczalni przed odprowadzeniem ich do odbiornika.
Chemiczna defosfatacja
Poziom stężenia fosforu może być obniżany, zarówno chemicznymi jak i biologicznymi metodami oczyszczania. Jeżeli związki fosforu występują
w układach koloidalnych, to usuwane są w procesie koagulacji objętościowej z wyróżnieniem faz destabilizacji i flokulacji. Do najczęściej
stosowanych koagulantów należą:
Destabilizacja układu koloidalnego zawartego w ściekach może nastąpić po dodaniu nieorganicznych soli hydrolizujących, np. siarczanu glinu
lub żelaza. Podczas hydrolizy soli glinu, żelaza(II) i (III) (przy odpowiednim pH) powstają trudno rozpuszczalne osady wodorotlenków, tworzące
układy koloidalne (cząstka koloidalna jest dodatnio naładowana):
Wytrącone wodorotlenki i osady mają określony ładunek powierzchniowy oraz warstwę adsorpcyjną złożoną z przeciwjonów. Tworzą one więc
cząstki koloidalne. Ładunek cząstek koloidalnych tych osadów jest przeciwny do ładunku koloidów występujących w ściekach. Oddziałują one
elektrostatycznie z cząstkami koloidalnymi zawartymi w ściekach zobojętniając ich ładunek. Niestabilne cząstki koloidalne, zaczynają tworzyć
makrocząsteczki, które rozrastają się tworząc widoczne kłaczki (flokulacja). Kłaczki wskutek bardzo rozwiniętej powierzchni adsorbować mogą
pozostałe jeszcze w wodzie drobne zawiesiny. Powstały w ten sposób osad pod wpływem sił ciężkości łatwo sedymentuje.
Jeżeli natomiast związki fosforu występują w postaci roztworu właściwego, to usuwane są w procesie chemicznego strącania.
W procesie chemicznego strącania rozpuszczalne nieorganiczne formy fosforu zawarte w ściekach przekształcane są w trudno rozpuszczalne
osady fosforanów metali. Równocześnie powstają wodorotlenki metali, które wytrącają się. W wyniku tego procesu powstają kłaczki, które wiążą
strącone fosforany metali i inne substancje zawieszone w ściekach, w tym również fosfor związany organicznie. Związki stosowane w procesie
chemicznego strącania to mi. in.:
wapno w postaci CaO lub Ca(OH)2 i Mg(OH)2,
siarczan glinu,
chlorek żelaza(III),
siarczan żelaza(II).
Biologiczna defosfatacja
Podstawę do opracowania metody biologicznego usuwania fosforu stanowiło odkrycie bakterii posiadających zdolność gromadzenia w
organizmie jego zwiększonych ilości oraz poznanie warunków koniecznych dla przeżycia i oczekiwanego rozwoju tych mikroorganizmów. Istota
metody opiera się na poddawaniu osadu czynnego, który zawiera bakterie fosforowe, naprzemiennie warunkom tlenowym, jak i beztlenowym.
Proces biologicznej defosfatacji polega na akumulowaniu reszt fosforanowych w komórkach bakteryjnych. Mikroorganizmami prowadzącymi ten
proces są głownie bakterie gram ujemne - Acinetobacter, jakkolwiek towarzyszą im również bakterie gram dodatnie. Mogą one kumulować fosfor
nawet powyżej 25% swej masy. Są to bezwzględne tlenowce, które wprowadzane przemiennie do warunków tlenowo-beztlenowych, stanowią
główny warunek usunięcia fosforu, ale i nie jedyny. W celu prowadzenia defosfatacji niezbędne jest stworzenie warunków anaerobowych, to
jest niedoboru tlenu oraz braku azotanów. Kolejny etap procesu wymaga warunków aerobowych.
Warunki beztlenowe
W strefie beztlenowej bakterie fosforowe pobierają odpowiednie produkty fermentacji beztlenowej, głownie octany, wykorzystując energię
łańcucha polifosforanowego w ATP, dzięki czemu zgromadzony w komórkach fosfor, uwalniany jest w postaci ortofosforanów według reakcji:
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba
Ćwiczenie 7
Biotechnologia środowiska dla OZE od 2014/2015
Biologiczne usuwanie fosforu ze ścieków
Pobrane octany są przekształcane w polihydroksymaślany (PHM) i w takiej formie magazynowane w komórce. Jest to ważna cecha bakterii
fosforowych umożliwiająca im przeżycie, gdyż większość bakterii osadu czynnego nie potrafi pobierać materii organicznej w warunkach
beztlenowych. W celu obrazowego przedstawienia procesów zachodzących w warunkach beztlenowych, jako reprezentanta substancji
organicznych wybrano związek najbardziej przypominający składem chemicznym kwas octowy (w postaci PHA – polihydroksyalkenów, spośród
których najczęstszym jest PHM, polihydroksymaślan), lub wolny kwas octowy, jeśli jest obecny.
Istotnym uwarunkowaniem efektywnego uwalniania fosforanów i magazynowania łatwo przyswajalnych substancji organicznych przez komórki
bakteryjne w warunkach beztlenowych jest brak azotanów. Azotany obecne w strefie anaerobowej osłabiają intensywność tych obu bardzo
ważnych procesów. Podstawą intensyfikacji uwalniania fosforanów w tej strefie jest ciągłe dostarczanie łatwo przyswajalnych substancji
organicznych, np. lotnych kwasów tłuszczowych lub ich soli.
Warunki tlenowe
W strefie tlenowej istnieje silna rywalizacja o pokarm. Dlatego też nagromadzone w komórce bakteryjnej PHM (polihydroksymaślany na rys. 1
jako PHB, czyli polihydroksybutyrate) lub kwas octowy mogą być wykorzystywane jako źródło substancji węglowych niezbędnych dla
prawidłowego metabolizmu i rozmnażania mikroorganizmów o wzmożonej aktywności. W tej strefie następuje gwałtowna synteza nowych
komórek bakteryjnych z jednoczesnym zwiększonym poborem rozpuszczonego fosforu ze ścieków.
Nadmiar energii uzyskanej z rozkładu polihydroksymaślanow oraz utleniania związków organicznych zawartych w ściekach, magazynowany jest
wewnątrz komórek w postaci łańcuchów polifosforanowych składających się z 2 do 10000 jednostek fosforanowych połączonych wiązaniem
wysokoenergetycznym. Intensywność procesów zachodzących w warunkach tlenowych jest tak duża, że ilość fosforu magazynowanego na tym
etapie procesu jest znacznie wyższa niż ilość fosforanów wydzielonych do środowiska w poprzedzających ten etap warunkach beztlenowych. Ta
różnica stanowi efekt usunięcia fosforu w procesie biologicznej defosfatacji.
Opisaną redukcję fosforu w ściekach można przedstawić za pomocą rysunku 2.
W opisanym procesie ważna jest równowaga pomiędzy ilością wydzielanego fosforu (PO43-) w strefie beztlenowej, a ilością zmagazynowanego
polihydroksymaślanu w komórce bakteryjnej. W przypadku, gdy wydzieli się więcej fosforanów w strefie anaerobowej niż zostanie pobranych
lotnych kwasów tłuszczowych, to w strefie tlenowej bakterie nie będą miały wystarczającego zapasu zmagazynowanych związków organicznych
(PHM) i wobec braku energii nie będą pobierać fosforu do komórki, co spowoduje jego wzrost w odpływie z oczyszczalni. Zjawisko takie określa
się jako wtórne wydzielanie fosforu.
Powyżej opisany proces zwiększonej akumulacji fosforu można również przedstawić za pomocą rysunku 3. Obrazuje on jednocześnie
schematycznie mechanizm defosfatacji na oczyszczalni ścieków. Po przejściu strefy anaerobowej i aerobowej ścieki kierowane są do osadnika
wtórnego, gdzie osad sedymentuje a sklarowane ścieki pozbawione fosforu odprowadzane są do odbiornika.
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba
Ćwiczenie 7
Biotechnologia środowiska dla OZE od 2014/2015
Biologiczne usuwanie fosforu ze ścieków
Metoda oznaczania fosforanów
Do oznaczania fosforanów w wodzie i ściekach najczęściej stosuje się metodę kolorymetryczną z molibdenianem amonu i chlorkiem cyny (II) jako
reduktorem.
Zasada oznaczania polega na tworzeniu się w roztworze kwaśnym kwasu fosforomolibdenowego H 7(P)MoO2(O4)6 o żółtym zabarwieniu, który
ulega redukcji pod wpływem chlorku cyny(II), tworząc związek kompleksowy błękit molibdenowy — o intensywnym niebieskim zabarwieniu.
Intensywność zabarwienia jest proporcjonalna do zawartości fosforanów. Oznacza się ją wizualnie lub spektrofotometrycznie. Dodatkowe
zastosowanie ekstrakcji fosforanów z badanej próbki pozwala na zwiększenie czułości oznaczania i zmniejsza wpływ czynników
przeszkadzających. Minimalne oznaczane stężenie wynosi ok. 0,01 mg/dm3 PO43- . W oznaczaniu przeszkadzają: krzemionka w postaci jonowej
w stężeniu powyżej 25 mg/dm3, arseniany, mętność, barwa, znaczne ilości chlorków, azotyny, Fe(III) powyżej 1 mg/dm3, Fe(II) powyżej 100
mg/dm3, związki organiczne. Bardzo alkaliczne lub bardzo kwaśne wody należy zobojętnić wobec fenoloftaleiny. Wpływ krzemionki eliminuje się
przez rozcieńczenie próbki. Wpływ żelaza można usunąć przez odpowiednie rozcieńczenie próbki lub dodanie równoważnej ilości 0,1 M roztworu
wersenianu. Przy dużych ilościach chlorków powstaje błękitno zielone zabarwienie, które kompensuje się, porównując zabarwienie próbki z
wzorcem zawierającym chlorki o takim samym stężeniu. Mętność usuwa się przez odwirowanie lub przesączenie próbki. Związki organiczne,
barwę, arseniany, w zależności od rodzaju oznaczanych fosforanów, eliminuje się na drodze mineralizacji próbki lub przez odpowiednie
rozcieńczenie.
Cel ćwiczenia
Badanie zmian zawartości fosforanów w ściekach świeżych z dodatkiem osadu czynnego w naprzemiennych warunkach tlenowych
i beztlenowych.
Wykonanie ćwiczenia
1.
Odczynniki stosowane w analizie:
- osad czynny
- molibdenian amonu, roztwór (NH4)6Mo7O24
- glicerynowy chlorek cyny(II), roztwór SnCl2
- kwas siarkowy i azotowy, roztwór
- roztwór wzorcowy fosforanów
2.
Przygotowanie roztworu roboczego ścieków
2.1. Przygotować słoik o pojemności ok. 0,5 dm3 (szkło musi być dokładnie umyte). Do słoika wprowadzić 0,3 dm3 osadu
czynnego pobranego cylindrem miarowym, oraz 30 cm3 roztworu wzorcowego fosforanów. Opisać układ badawczy i
dokładnie go wymieszać.
2.2. Wykonać oznaczenie pH. Skorygować jego wartość do poziomu 7,0-9,0 używając 2N H2SO4 lub 5N NaOH.
2.3. Do roztworu ścieków i osadu, wprowadzić wężyk pompki akwarystycznej, celem napowietrzania układu. Przed
włączeniem pompki pobrać próbę w celu oznaczenia zawartości fosforanów metoda molibdenową (p. pkt. 3). Następnie
włączyć pompkę i prowadzić intensywne napowietrzanie przez 0,5h.
2.4. Po 0,5h ponownie wykonać oznaczenie zawartości fosforanów metoda molibdenową (p. pkt. 3).
3.
Oznaczanie fosforanów metodą molibdenową.
3.1. Przygotowanie próby do badań
Zmontować zestaw do filtracji próżniowej, użyć sączka celulozowego 0.45µm. Pobrać ok. 10 cm3 badanego roztworu
(mieszaniny ścieków i osadu) pipetą szklaną i przenieść do lejka pompki próżniowej. Całość przefiltrować. Po zakończeniu
filtracji zlać klarowny przesącz z kolby filtracyjnej do kolbki stożkowej o pojemności 50 cm 3.
Następnie umyć dokładnie cały zestaw do filtracji !
3.2. Oznaczenie fosforanów
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba
Biotechnologia środowiska dla OZE od 2014/2015
Biologiczne usuwanie fosforu ze ścieków
Ćwiczenie 7
3.2.1.
3.2.2.
3.2.3.
3.2.4.
3.2.5.
3.2.6.
Odmierzyć do kolby miarowej odpowiednią (1-2 cm3) ilość przefiltrowanej próby badanej – kolbę dopełnić do
objętości ok. 70 cm3 wodą destylowaną. Równocześnie przygotować drugą kolbę miarową, nie zawierająca
badanej próby lecz jedynie wodę destylowaną (próba kontrolna).
Następnie do obu kolb dodać 2 cm3 roztworu molibdenianu amonu i wymieszać.
Do pobierania molibdenianu amonu używać czystej pipety szklanej !!
Uzupełnić kolby miarowe wodą destylowaną do kreski i ponownie wymieszać.
Dodać 0,5 cm3 roztworu chlorku cyny (II) bezpośrednio na lustro wody i wymieszać
Roztwór glicerynowy chlorku cyny jest b. gęsty – do jego pobrania użyć pipety automatycznej (odciąć nożyczkami
1-2 mm końcówki tipsa, aby poszerzyć jego wlot) roztwór pobierać bardzo wolno i dokładnie.
Szybkość powstawania i intensywność zabarwienia kompleksu zależą od temperatury roztworu. Wzrost temp.
o 1°C powoduje wzrost zabarwienia o 1 %. Tak więc temperatura próbki, odczynników i wzorców nie powinna
się różnić więcej niż o 2°C.
Po 10 min, lecz nie później niż po 12 min zmierzyć absorbancję przy λ = 690 nm wobec próby zerowej (kolbka
krzywej wzorcowej zawierająca jedynie odczynniki). Wykonać 3 pomiary próby.
Z krzywej wzorcowej odczytać ilość fosforanów. Wzór krzywej wzorcowej:
y=13,1x + 0,123
gdzie: y=ilość fosforanów mg/l
x – absorbancja
3.2.7.
Stężenie fosforanów w ściekach obliczyć ze wzoru:
P=axY
gdzie: a – ilość fosforanów obliczona z krzywej wzorcowej [mg/l]
Y – rozcieńczenie ścieków w p. 3.2.1. (x100 lub x50)
4.
Opracowanie wyników
4.1. Na podstawie uzyskanych wyników:
4.1.1. Podać zawartość jonów fosforanowych w analizowanych ściekach przed i po procesie napowietrzania,
4.1.2. Obliczyć wydajność procesu defosfatacji (wynik podać w % zmian stężenia fosforanów w ściekach).
5.
Literatura
5.1. Fijałkowska E. i wsp., Osad czynny – biologia i analiza mikroskopowa, Oficyna Wydawnicza IMPULS, Kraków 2005.
5.2. Dymaczewski Z., Poradnik eksploatatora oczyszczalni ścieków. Polskie Zrzeszenie inż. I tech. Sanitarnych, Poznań, 1997.
5.3. Hermanowicz W., Fizyczno-chemiczne badanie wody i ścieków, Arkady, Warszawa, 1999.
5.4. Anielak A.M., Chemiczne i fizykochemiczne oczyszczanie wody, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2000.
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba