WYTWARZANIE I ANALIZA PRODUKTÓW MLECZNYCH

Metody biotechnologiczne w ochronie środowiska
Biologiczne oczyszczanie ścieków
Biologiczne oczyszczanie ścieków zachodzi w:
komorach napowietrzania z osadem czynnym,
na złożach biologicznych,
glebie (filtry gruntowe, pola irygowane i pola nawadniane),
stawach biologicznych (stabilizacyjnych, napowietrzanych, rybnych).
Charakterystyka biologiczna osadu czynnego
Osad czynny jest żywą, kłaczkowatą zawiesiną złożoną głównie z bakterii heterotroficznych. Osad czynny ma strukturę luźną,
gąbczastą złożoną z drobnych, kłaczkowatych tworów o różnym kształcie wytworzonych na drodze flokulacji. Głównym gatunkiem
drobnoustrojów umożliwiającym flokulację jest Zooglea ramigera. Flokulacja osadu czynnego zmniejsza powierzchnię aktywną, lecz
zbyt duża dyspersja kłaczków lub występowanie pojedynczych bakterii, uniemożliwia sedymentację drobnoustrojów i oddzielenie ich od
ścieków. Pęcznienie osadu czynnego spowodowane jest przez nadmierny przerost kłaczków, które tracą w tych warunkach swój
korzystny stosunek objętości do powierzchni aktywnej, źle sedymentują wypływają na powierzchnię w postaci dużych, gąbczastych
płatów. Pęcznienie („puchnięcie”) osadu czynnego następuje wskutek masowego rozwoju bakterii nitkowatych. Najczęściej zjawisko
to wywołuje nadmierny rozwój Sphaerotilus natans, rzadziej Beggiatoa lub Thiothrix.
Skład gatunkowy mikroflory w osadzie czynnym jest bardzo zróżnicowany, podlega stałym zmianom i zależy głównie od składu
chemicznego ścieków. Osad czynny oczyszczający ścieki bytowo-gospodarcze jest bardziej zróżnicowany pod względem jakościowym
niż osad, do którego dozowane są ścieki przemysłowe.
Bakterie heterotroficzne stanowią główną część organizmów występujących w osadzie czynnym. Ich funkcja polega na
enzymatycznym rozkładzie związków organicznych. Najczęściej spotykanymi gatunkami są Zooglea ramigera, Pseudomonas
fluorescens, Pseudomonas putida oraz bakterie z rodzaju Achromobacter, Bacillus, Flavobacterium. Ścieki zawierające duże ilości
białek lub produktów ich hydrolizy, zapewniają w osadzie czynnym dominację bakteriom z rodzaju Alcaligenes, Flavobacterium i
Bacillus, natomiast ścieki obfitujące w węglowodany lub węglowodory umożliwiają szybki rozwój Pseudomonas. W osadzie czynnym
mogą również występować bakterie chemosyntetyzujące z rodzaju Nitrosomonas i Nitrobacter (bakterie nitryfikacyjne), oraz bakterie
siarkowe z rodzaju Thiothrix i Beggiatoa.
Grzyby są stosunkowo rzadko spotykane w osadzie czynnym. Rozwijają się w osadzie w warunkach niedostatecznego
natlenienia, niskiego pH i nadmiaru węglowodorów. Przypisuje się im - podobnie jak bakteriom nitkowatym - wywoływanie
zjawiska pęcznienia osadu.
Do pierwotniaków najczęściej występujących w osadzie czynnym należą Vorticella, Carchesium i Opercularia, które w
sprzyjających warunkach rozwijają się bardzo intensywnie. Ich ilość dochodzi do około 11 000 komórek/ml zawartości komory
napowietrzania. Bardzo często występują również Cochliopodium (ameba), Anthophysa vegetans (wiciowiec) oraz orzęski
Trachelophyllum pulsillum, Litonotus, Trochilia minor, Oxytricha pellionella, Stylonychia mytilus. Między liczebnością wiciowców i
orzęsków w osadzie czynnym istnieje odwrotna proporcjonalność. Podczas, gdy duża liczba wiciowców z rodzaju Bodo,
Hexamitus, Trepomonas i Trigonomonas, wskazuje na przeciążenie osadu czynnego związkami organicznymi i złą pracą osadu,
orzęski -zwłaszcza Vorticella i Aspidisia costata - wskazują że osad pracuje prawidłowo. Wiele gatunków orzęsków uznano za
wskaźniki informujące o efektach oczyszczania ścieków, oraz obecności związków toksycznych (są one o wiele bardziej
wrażliwe na trucizny niż bakterie).
Rola pierwotniaków w osadzie czynnym:
- uczestniczą one w procesie bioflokulacji,
- są wskaźnikami jakości pracy osadu czynnego, jego natlenienia i obciążenia związkami organicznymi,
- niektóre gatunki, zwłaszcza holozoiczne, aktywnie uczestniczą w usuwaniu zanieczyszczeń ze ścieków,
- odżywiają się komórkami bakteryjnymi odmładzając i uaktywniając populację tych drobnoustrojów,
- klarują odpływ ścieków przez pożeranie wolno pływających bakterii.
W osadzi czynnym mogą pojawiać się też masowo wrotki i nicienie. Wrotki są wskaźnikami dobrze pracującego
osadu, lecz ich nadmierny rozwój, podobnie jak nicieni, może stać się przyczyną niekorzystnego ubytku biomasy osadu
czynnego, który zwierzęta te pożerają w dużych ilościach.
Oczyszczanie ścieków osadem czynnym
Oczyszczanie ścieków osadem czynnym polega na mineralizacji związków organicznych przeprowadzonej głównie przez
bakterie, na drodze tych samych procesów biochemicznych, które występują podczas samooczyszczania. Zanieczyszczenia
organiczne są absorbowane na powierzchni kłaczków i mineralizowane na skutek procesów metabolizmu zachodzących w
mikroorganizmach.
Oczyszczanie ścieków na złożach biologicznych
Złoża biologiczne są zbiornikami wypełnionymi luźno ułożonym materiałem ziarnistym i porowatym. Służą one do
biologicznego oczyszczania ścieków. Najważniejszą warstwą w złożu jest błona biologiczna. Jest to śluzowata warstwa złożona z bakterii,
pierwotniaków, grzybów, a nawet pewnych glonów. Błona biologiczna otacza materiał stały, z którego zbudowane jest złoże. Spełnia
ona w oczyszczaniu ścieków takie samo zadanie, jak osad czynny. Jednak w odróżnieniu od osadu, który jest zawieszony w ściekach
i stale mieszany podczas napowietrzania, błona biologiczna jest tworem przylegającym do materiału stałego.
Biologiczne oczyszczanie ścieków w gruncie
Biologiczne oczyszczanie ścieków w gruncie oparte jest o działalność biochemiczną mikroflory glebowej oraz
drobnoustrojów dopływających ze ściekami. Tworzą one, po pewnym czasie, mikroskopijną błonę biologiczną dookoła
cząstek strukturalnych gleby i wówczas wierzchnia warstwa gruntu działa jak filtr biologiczny.
-
Metody biotechnologiczne w ochronie środowiska
Oczyszczanie ścieków w stawach biologicznych
Stawy biologiczne są naturalnymi lub sztucznymi zagłębieniami terenu. Ścieki doprowadzane do stawów są mineralizowane, a
sole mineralne wykorzystywane przez glony. Niektóre stawy są zarybiane i wówczas łańcuch pokarmowy zostaje przedłużony.
Wykonanie ćwiczenia
I. Mikroskopowa obserwacja osadu czynnego
1. Przygotować preparaty przyżyciowe osadu czynnego.
2. Oglądając preparaty pod mikroskopem zwrócić uwagę na: wielkość oraz kształt kłaczków, obecność
pierwotniaków, wolnopływających bakterii oraz bakterii nitkowatych. Do identyfikacji pierwotniaków
wykorzystać tablice. Do pomiaru wielkość kłaczków użyć mikrometru okularowego (patrz pomiar mikrometrem
okularowym). Wyniki obserwacji umieścić w tabeli.
Badana próba
Kształt i wielkość Obecność pierwotniaków (przynależność
Obecność bakterii
kłaczków
systematyczna)
nitkowatych
Osad czynny
3. Zaklasyfikować osad do jednej z trzech kategorii:
- osad czynny w dobrym stanie - duża ilość bakterii zooglealnych oraz bakterii z rodzaju Pseudomonas i
Bacillus, duża zawartość orzęsków osiadłych, mała liczba wiciowców i ameb oraz brak bakterii nitkowatych i
grzybów. Wysoki udział kłaczków o wymiarach 50-100 µm.
- osad czynny w średnim stanie - mało orzęsków, dość liczne wiciowce i ameby oraz pewna liczba bakterii
nitkowatych i grzybów wodnych.
- osad czynny w złym stanie - bardzo mała liczba orzęsków, duża liczba wiciowców, ameb oraz bakterii
nitkowatych (Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix) i grzybów (Leptomitus, Mucor), a także bakterii spiralnych
(Spirillum) i grzybów wodnych. Wysoki udział kłaczków o wymiarach powyżej 100 µm.
II. Pomiar wielkości kłaczków mikrometrem okularowym.
Przed przystąpieniem do pomiarów wyznacza się wartość mikrometryczną mikroskopu dla danego okularu i
obiektywu. Mając mikrometr okularowy w okularze (1 podziałka 100 mm), i mikrometr przedmiotowy (1 podziałka
10 mm) na stoliku szukamy obrazu i ustawiamy obie skale mikrometrów w taki sposób aby ich punkty zerowe
pokryły się. Następnie oblicza się, ile kresek mikrometru okularowego przypada na okular przedmiotowy.
Zastosowany wzór pozwoli wyznaczyć wartość mikrometryczną:
Wartość mikrometryczna = a x 10 / b
a – liczba odczytanych jednostek mikrometru przedmiotowego
b– liczba odczytanych jednostek mikrometru okularowego
Wielkość rzeczywistą kłaczków w mm obliczamy mnożąc wartość mikrometryczną przez pomiar kłaczków
dokonany przy użyciu mikrometru okularowego.
III. Oznaczenie objętości osadu czynnego
1. Do cylindra wlać 100ml osadu czynnego.
2. Po 30-minutowej sedymentacji określić jego objętość. Wynik podać w cm3/dm3 zawiesiny.
IV. Oznaczenie suchej masy osadu czynnego
1. Pobrać 5ml zawartości komory napowietrzania i przenieść na wysuszoną do stałej masy szalkę Petriego.
2. Suszenie próbki przeprowadzić w wagosuszarce (patrz oznaczanie suchej masy) w temperaturze ok. 1050C.
Wynik podać w g sm/dm3 zawiesiny.
V. Wyznaczenie indeksu objętościowego osadu czynnego
Korzystając z wyników objętości osadu czynnego i jego suchej masy obliczyć indeks osadu ze wzoru:
Objętość osadu czynnego w 1000 cm3
[cm3/g]
3
Sucha masa g/1000 cm
Osad czynny dobrze pracujący ma indeks w granicach 80-120 cm3 /g.
I=
Metody biotechnologiczne w ochronie środowiska
VI. Oznaczanie suchej masy w wagosuszarce
1. 15 minut przed rozpoczęciem pomiaru włączyć wagosuszarkę – urządzenie musi się nagrzać.
2. Po 15 minutach otworzyć wieko wagosuszarki, umieścić na wadze szalkę Petriego (wcześniej dokładnie
wysuszoną w suszarce w temp. 1050C) i nacisnąć dwukrotnie przycisk TARE – tarowanie wagi.
3. Na szalkę Petriego wprowadzić 5ml uprzednio wymieszanego osadu czynnego – zanotować masę osadu !
4. Zamknąć wieko wagosuszarki.
5. Nacisnąć przycisk F1 (programowanie temperatury) i klawiszem F2 ustawić temperaturę - 1040C.
6. Nacisnąć klawisz F1 (czas próbkowania) i klawiszem F2 ustawić czas próbkowania – 20.
7. Nacisnąć klawisz F1 – pojawi się komunikat na wyświetlaczu READY – potwierdzić ponownie naciskając F1
– rozpoczyna się pomiar.
8. Wynik podawany jest w % wilgotności próbki.
9. Pomiar prowadzić do momentu uzyskania stałej wartości wilgotności.
10.Zapisać wynik i wyliczyć suchą masę analizowanej próbki.
11.Zakończyć pomiar naciskając klawisz TARE – otworzyć wieko wagosuszarki, wyciągnąć szalkę z osadem,
zamknąć wieko, wyłączyć urządzenie.
VII. Opracowanie wyników
Na podstawie uzyskanych wyników: obserwacji mikroskopowej osadu czynnego i jego parametrów fizycznych
przedstawić wnioski dotyczące kondycji osadu i stopnia oczyszczenia ścieków.
VIII. Zagadnienia teoretyczne:
1.
2.
3.
4.
Charakterystyka metod biologicznych oczyszczania ścieków
Charakterystyka mikrobiologiczna osadu czynnego
Flokulacja, nitryfikacja, denitryfikacja
Biosorpcja metali ciężkich, fosforanów w osad zie czynnym.
IX. Literatura
1. Kowal K., Libudzisz Z.; Mikrobiologia techniczna; Wyd. Politechniki Łódzkiej; 2000
2. Kunicki-Goldfinger W.; Życie bakterii; Wyd. PWN; Warszawa; 1998
3. Schlegel H.; Mikrobiologia ogólna; Wyd. PWN; Warszawa; 2000