FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 Axa prioritară nr. 3 „Creşterea adaptabilităţii lucrătorilor şi a întreprinderilor” Domeniul major de intervenţie 3.2. „Formare şi sprijin pentru întreprinderi şi angajaţi pentru promovarea adaptabilităţii” Titlul proiectului: : „COPMED – COMPETENTE PENTRU PROTECTIA MEDIULUI” Contract nr. POSDRU/81/3.2./S/52242 Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 –„Investeşte în oameni!
BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA APELOR UZATE Prof.dr.ing. Lăcrămioara Diana Robescu1, Prof.dr.ing.Dan Niculae Robescu, Prof.dr.ing. Cristina Costache Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti 1 diarobescu@yahoo.com
Rezumat Aplicaţiile biotehnologiilor în epurarea apelor uzate constau în utilizarea microorganismelor pentru îndepărtarea diferiţilor poluanţi. Epurarea biologică este una dintre metodele cele mai eficiente de îndepărtare a poluanţior organici biodegradabili din apele uzate şi de stabilizare nămolurilor rezultate. În acest domeniu au fost realizate numeroase cercetări care au condus la apariţia de noi tehnologii şi la descoperirea de căi de îndepărtare pe cale biologică a compuşilor toxici sau refractari, rezultaţi în special din activităţile industriale. Lucrarea prezintă pe scurt procesele biologice cele mai utilizate şi impactul descoperirilor din biotehnologie în domeniu. Cuvinte-cheie Biotehnologie, proces biologic, microorganisme, compuşi organici Introducere Omul plăteşte un preţ mare mediului odată cu dezvoltarea tehnologiilor care i-au adus beneficii imense. Poluarea poate fi văzută sau simţită peste tot. Un rol major în îmbunătăţirea calităţii apei, aerului şi solului îl au ştiinţa şi cercetarea, pornind de la alternativele pe care natura le oferă pentru îndepărtarea poluanţilor, prin utilizarea microorganismelor şi a plantelor.
Septembrie 2010
2
BIOTEHNOLOGIILE – O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA APELOR UZATE
Dacă în trecut canalizarea şi epurarea aveau ca scop doar sănătatea populaţiei, odată cu creşterea îngrijorării privind calitatea mediului au fost impuse restricţii severe pentru evacuarea apelor uzate astfel încât apele receptoare să fie protejate. Epurarea biologică, reclasificată în ultimii ani ca biotehnologie, este una dintre metodele cele mai eficiente de îndepărtare a poluanţior organici biodegradabili din apele uzate şi de stabilizare nămolurilor rezultate. Procedeele biologice de epurare utilizează activitatea metabolică a unor grupe de microorganisme capabile să degradeze substanţele organice până la dioxid de carbon şi apă. Degradarea materiei organice se realizează prin utilizarea ei ca hrană pentru microorganisme, iar diversitatea microorganismelor care au capacitatea de a descompune poluanţii este foarte mare. Au fost realizate numeroase cercetări în domeniul microbiologiei proceselor biologice în scopul cunoaşterii şi înţelegerii mecanismelor acestora, a microorganismelor implicate şi a rolului acestora în proces. Astfel, sunt cunoscute în prezent o multitudine de microorganisme care determină funcţionarea necorespunzătoare a bioreactoarelor. Au fost descoperite însă şi microorganisme care au condus la realizarea de noi tehnologii de epurare, precum şi microorganisme care pot îndepărta poluanţii xenobiotici. Biotehnologii utilizate în epurarea apelor Poluanţii principali din apele uzate sunt suspensii solide, compuşi organici biodegradabili, compuşi organici volatili, compuşi xenobiotici recalcitranţi, metale toxice, nutrienţi, agenţi patogeni şi paraziţi. Epurarea clasică a apelor uzate are ca obiectiv îndepărtarea suspensiilor solide şi materiilor organice, precum şi agenţi patogeni şi paraziţi. În ultimul timp însă, datorită restricţiilor impuse pentru protejarea mediului, se fac eforturi şi pentru îndepărtarea nutrienţilor, mirosurilor, compuşilor organici volatili, metalelor şi substanţelor toxice. Lucarea de faţă se referă la epurarea biologică clasică, utilizată pe fluxul apei uzate pentru îndepărtarea substanţelor poluante organice nesedimentabile (dizolvate sau coloidale), iar în tehnologiile de tratarea nămolurilor rezultate din epurare, pentru stabilizarea materiilor organice din nămoluri. Epurarea biologică este un proces flexibil care se poate adapta uşor la o multitudine de ape uzate, concentraţii şi compoziţii. De obicei, procesele biologice sunt precedate de o treaptă fizică de epurare care are rolul de a reţine substanţele sedimentabile, sunt urmate de o decantare secundară – procese fizice – destinată reţinerii produşilor rezultaţi din epurarea biologică şi de o treaptă de dezinfecţie înainte de deversarea apei epurate în emisar. Comunitatea microbiologică din epurarea apelor uzate este complexă. Principalele responsabile de epurarea biologică sunt bacteriile, dar un rol important îl au şi fungii, algele, protozoarele şi organisme superioare. Pentru a fi active microorganismele au nevoie de sursă de carbon şi energie. Factorii care influenţează procesul biologic sunt: timpul de contact sau timpul de traversare a obiectului tehnologic în care se desfăşoară procesul biologic, temperatura, pH-ul, oxigenul, încărcarea obiectului tehnologic cu ape uzate (diluţie), cu nămol, nutrienţi, prezenţa inhibitorilor de proces, condiţiile hidrodinamice ale procesului – omogenizare şi amestecare. Epurarea biologică se desfăşoară corepunzător într-o gamă destul de restrânsă a parametrilor: pH= 6-10, încărcare organică 4:1, grăsimi şi uleiuri 50 mg/l, poluanţi inhibitori 10 mg/l. De asemenea, apele uzate pot fi tratate biologic dacă există suficiente substanţe nutritive (azot şi fosfor), adică un raport C:N:P = 10:5:1. De obicei apele uzate menajere satisfac acest lucru. Pentru buna funcţionare a procesului microbian sunt necesari şi ioni anorganici cum ar fi de Na, Ca, Mg, K, Fe, Cu, Co, Mo. Biotehnologii pentru protectia mediului
FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 Axa prioritară nr. 3 „Creşterea adaptabilităţii lucrătorilor şi a întreprinderilor” Domeniul major de intervenţie 3.2. „Formare şi sprijin pentru întreprinderi şi angajaţi pentru promovarea adaptabilităţii” Titlul proiectului: : „COPMED – COMPETENTE PENTRU PROTECTIA MEDIULUI” Contract nr. POSDRU/81/3.2./S/52242 Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 –„Investeşte în oameni!
Procedeele biologice de epurare se desfăşoară în condiţii naturale (lagune, iazuri biologice, fermentare aerobă), condiţii naturale forţate (lagune aerate) sau în regim artificial. Din punct de vedere al organizării microorganismelor procesele biologice pot fi cu microorganisme în suspensie, cu film biologic (biofilm) şi hibride. Procesele biologice aerobe pentru îndepărtarea încărcării organice necesită un timp suficient de contact între apa uzată şi microorganisme, precum şi existenţa unei cantităţi suficiente de nutrienţi şi oxigen. Dintre procesele cu suspensii aerobe cel mai utilizat este cel cu nămol activ, în care microorganismele în suspensie sunt puse în contact cu apa uzată într-un reactor biologic şi menţinute în suspensie prin amestecare continuă şi aerare. Procesul cu nămol activ pote fi cu amestecare completă, cu curgere de tip piston sau cu funcţionare secvenţială. Procesul de epurare biologică cu nămol activ se poate desfăşura în mai multe moduri, după diverse scheme, care diferă prin modul în care apa uzată vine în contact cu nămolul activ, modelul de curgere, cantitatea de nămol care rezultă, încărcarea specifică a nămolului activ, modelul de creştere biologică a microorganismelor etc. De obicei, procesul cu nămol activ este precedat de decantare primară, pentru îndepărtarea suspensiilor solide sedimentabile. Totuşi, pentru epurarea apelor uzate de la comunităţi mici nu se utilizeză decantarea primară, utilizându-se diferite modificări ale procesului convenţional cu nămol activ, cum ar fi procesul secvenţial, şanţurile de oxidare, lagunele aerate sau iazurile de stabilizare. Excesul de biomasă este separată gravitaţional sau mai recent cu membrane, asigurându-se în acest fel o operare corespunzătoare a procesului. Cele mai întâlnite probleme operaţionale în procesul cu nămol activ sunt flotaţia, spumarea şi umflarea nămolului. În această direcţie cercetările din microbiologie au permis identificarea microorganismelor responsabile de aceste fenomene astfel încât se pot lua măsuri pentru remedierea lor. În condiţii de umflare a nămolului flocoanele nu se compactează şi nu se sedimentează, regăsindu-se în efluent. Au fost identificate două cauze ale umflării nămolului: bacteriile filamentoase şi cantitatea excesivă de biopolimeri extracelulari care produc nămol cu consistenţă gelatinoasă. Cea mai întâlnită este umflarea filamentoasă, care apare datorită caracteristicilor apei uzate, proiectării greşite sau condiţiilor operaţionale. La apariţia acestui fenomen ar trebui să se verifice în primul rând microscopic nămolul, apoi caracterul apei uzate, conţinutul de oxigen dizolvat, încărcarea procesului, debitul de nămol recirculat şi debitul nămolului în exces, operarea decantorului secundar. La apele uzate
Septembrie 2010
4
BIOTEHNOLOGIILE – O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA APELOR UZATE
industriale trebuie verificat şi conţinutul de nutrienţi. În situaţii de urgenţă se poate folosi clorul sau peroxidul de hidrogen. Flotaţia nămolului se datorează cel mai des apariţiei denitrificării. Flotaţia nămolului poate fi deosebită de umflare datorită bulelor de gaz ataşate nămolului plutitor şi datorită prezenţei mai multor zone cu nămol plutitor pe suprafaţa decantorului secundar. De obicei apare dacă timpul de retenţie a suspensiilor este scurt. Pentru îndepărtarea fenomenului se poate creşte debitul de nămol extras din decantorul secundar, se poate reduce debitul de amestec aerat care intră în decantor sau se poate mări viteza de îndepărtare a nămolului. În ceea ce priveşte spumarea, au fost identificate două bacterii care sunt responsabile de apariţia acestui fenomen, datorită suprafeţelor celulare hidrofobe. Aceste fenomene au condus la noi concepte în ceea ce priveşte configuraţia bazinelor, şi anume utilizarea selectoarelor. Selectorul este un bazin mic sau o serie de bazine, cu timp scurt de contact (20..60 min) în care apa uzată intră în contact cu nămolul recirculat în condiţii aerobe, anoxice şi anaerobe. Astfel, se favorizează creşterea bacteriilor care formează flocoane în locul celor filamentoase. În ultimul timp procesul cu nămol activ a fost adaptat astfel încât pe lângă îndepărtarea materiilor organice se realizează şi îndepărtarea azotului şi fosforului. Dintre procesele aerobe cu film biologic cel mai utilizat este filtrul biologic. În procesele cu biofilm apa uzată curge peste un suport inert pe care se fixează biofilmul. Filmul biologic este pus alternativ în contact cu oxigenul din aerul atmosferic şi cu apa uzată supusă procesului de epurare. Între procesul de epurare cu nămol activ şi cel din filmul biologic sunt deosebiri structurale. În procesul cu nămol activ floconul este unitatea structurală de bază care conţine toate speciile comunităţii din lanţul trofic necesare mineralizării substanţelor organice; în procesul cu film biologic speciile sunt organizate în lungul tehnologiei de epurare, în sensul reacţiilor succesive de degradare a materiei organice, astfel că apa uzată, pe măsura descompunerii substanţelor organice, în fiecare etapă a desfăşurării fenomenului biochimic întâlneşte bacteriile următoare din lanţul trofic. Principalele avantaje faţă de procesul cu nămol activ sunt economia de energie, exploatare simplă, nămol cu proprietăţi mai bune de sedimentare, rezistenţa mai bună la şocuri de încărcare. Dintre dezavantaje se menţioneză obţinerea unui efluent de calitate mai scăzută, având un randament de circa 80%, fiind uneori nevoie, de exemplu, de completarea cu un proces cu nămol activ, sensibilitate la temperaturi scăzute, emanarea de mirosuri neplăcute, favorizarea apariţiei insectelor şi rozătoarelor. Biofiltrul este un bazin de beton de secţiune rotundă sau pătrată, cu înălţimea de 4...12 m, în care se află un strat de umplutură din roci sau mai nou din materiale plastice care cresc capacitatea de epurare datorită suprafeţei specifice mari pe care se formează biofilmul. De asemenea, biofiltrul conţine sistemul de distribuţie a apei uzate, sistemul de drenaj şi colectare a apei epurate, precum şi sistemul de ventilare, dacă nu se face ventilaţie naturală. Decantarea primară, sau o altă metodă de reţinere a suspensiilor solide, este obligatorie pentru a evita înfundarea filtrului. Biofiltrele pot fi de mică, medie şi mare încărcare, în funcţie de încărcarea hidraulică şi organică. Cercetările recente au demonstrat faptul că viteza şi intensitatea de împrăştiere a apei pe suprafaţa biofiltrului, precum şi ventilaţia forţată asigură eficienţa maximă, controlul organismelor dăunătoare, reducerea mirosurilor şi elimină stocarea excesivă a solidelor în filtru. Pentru a profita de avantajele proceselor anterioare - procesele cu film biologic, rezistente la şocuri de încărcare, eficiente energetic şi care necesită întreţinere scăzută şi procesele cu procesele cu suspensii, cu eficienţă mare de epurare şi capacitate de Biotehnologii pentru protectia mediului
FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 Axa prioritară nr. 3 „Creşterea adaptabilităţii lucrătorilor şi a întreprinderilor” Domeniul major de intervenţie 3.2. „Formare şi sprijin pentru întreprinderi şi angajaţi pentru promovarea adaptabilităţii” Titlul proiectului: : „COPMED – COMPETENTE PENTRU PROTECTIA MEDIULUI” Contract nr. POSDRU/81/3.2./S/52242 Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 –„Investeşte în oameni!
funcţionare în diverse moduri - au fost dezvoltate procesele combinate sau duale. Aceste sisteme formează un proces unitar în două trepte cu eficienţă de epurare care, de obicei, depăşeşte eficienţele sistemelor de bază. În funcţie de procesele de bază, cu biofilm şi cu nămol activ, încărcarea proceselor şi punctul în care se face reintroducerea suspensiilor solide recirculate în curentul principal, există o serie de combinaţii posibile ale proceselor duale: biofiltru de mică încărcare activat, biofiltru de medie încărcare– bazin de contact pentru solide, biofiltru de mare încărcare – nămol activ, biofiltru de mică încărcare – nămol activ, biodiscuri activate s.a. Există o serie de procese inovative care utilizează medii submerse de fixare a biofilmului, împărţite în două categorii. a) procese în care elementele pe care se fixează biofilmul sunt submerse într-un amestec de apă uzată şi nămol activ recirculat din decantorul secundar; aceste elemente pot fi plutitoare (procesele Captor, KMT, Linpor-C, Kaldnes) sau fixe (procesele Ringlace, biodiscuri submerse, Biomatrix, Bio2-Sludge); În aceste procese biofilmul joacă sau nu rolul dominat în epurarea biologică în funcţie de proiectarea sistemului. b) procese în care elementele pe care se fixează biofilmul reprezintă mecanismul principal de epurare; apa poate fi recirculată, dar nămolul sedimentat nu; aceste procese pot fi plutitoare (Biostyr), cu pat granular (cu curgere descendentă - BioCarbone, cu curgere ascendentă - Biofor) sau cu pat fluidizat şi curgere ascendentă (Oxitron, Biolift). Epurarea anaerobă se foloseşte pentru tratarea nămolului rezultat din staţia de epurare, mai puţin cunoscută fiind aplicarea procedeului în epurarea apei. Epurarea anaerobă a apelor uzate nu înseamnă acelaşi lucru cu tratarea anaerobă a nămolurilor, deoarece cea mai mare parte a materiilor organice din apa uzată sunt dizolvate. Pentru a fi îndepărtate din apa uzată trebuie să se asigure un timp suficient de contact între substanţele organice şi microorganismele anaerobe, astfel că în epurarea anaerobă a apelor uzate există o mare diferenţă între timpul hidraulic de retenţie şi vârsta nămolului. Epurarea anaerobă este utilizată pe cale largă la îndepărtarea materiilor organice din apele uzate rezultate din anumite industrii (alimentară: producerea băuturilor alcoolice, a berii, a uleiului etc.; industria celulozei şi hârtiei, petrochimică). Epurarea anaerobă are costuri de operare reduse şi are avantajul producerii de biogaz., dar necesită un timp lung de amorsare, poate necesita corecţia alcalinităţii, vitezele de reacţie sunt mult mai sensibile la temperaturi joase şi poate produce miroauri sau gaze corozive. Ea este recomandată pentru încărcări organice peste 2000 - 3000 mgCBO5/l, la care epurarea aerobă ar duce la costuri energetice foarte ridicate. Prin epurare anaerobă se îndepărtează o mare parte din Septembrie 2010
6
BIOTEHNOLOGIILE – O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA APELOR UZATE
substanţele organice (80…90% eficienţă pentru îndepărtarea CBO5), dar aproape deloc nutrienţii. De aceea, dacă apa epurată este deversată într-un curs natural, ea trebuie epurată într-o treaptă secundară aerobă. Fermentarea anaerobă conduce la descompunerea substanţelor organice în cadrul metabolismului celular al bacteriilor anaerobe. Această fermentare produce biogaz, care, în medie, are următoarea compoziţie: 65% metan, 25% dioxid de carbon, 2,2 % hidrogen, 2 % azot, 0,5 % hidrogen sulfurat şi circa 0,2 % diferite particule antrenate de gazele care se degajă. Puterea calorică inferioară a biogazului este cuprinsă între 17 … 25 MJ/m3, dependent de cantitatea şi calitatea materiilor organice din masa de apă. Aproximativ 70% … 90% din materia organică conţinută de apele uzate este transformată în biogaz prin fermentarea anaerobă. Procesele anaerobe de epurarea a apelor uzate pot fi cu suspensii, cu biofilm cu curgere ascendentă sau descendentă, cu strat fluidizat, cu curgere ascendentă şi strat de nămol anaerob, lagune anaerobe şi procese anaerobe de separare cu membrane. În comparaţie cu apele uzate menajere, apele din agricultură şi industria alimentară sunt bogate în substanţe organice, substanţe nutritive şi biodegradabile. Industria chimică şi cea producătoare de pesticide deversează ape cu conţinut organic scăzut, însă cu diverse substanţe chimice toxice şi concentraţii inhibitoare de săruri şi metale. Apele uzate din metalurgie şi industria minieră conţin în principal poluanţi anorganici. Rafinăriile şi industria petrochimică deversează în principal hidrocarburi care nu sunt uşor de utilizat de către microorganisme ca sursă de carbon, au un conţinut redus de substanţe nutritive şi conţin solvenţi toxici. Apele deversate din industria de celuloză şi hârtie, de bere, de băuturi alcoolice conţin substanţe organice degradabile, dar industria de vopsele deversează o serie de substanţe chimice inhibitoare. Pentru apele uzate industriale trebuie făcute studii de laborator privind tratabilitatea şi biodegradabilitatea biologică. Biodegradabilitatea se defineşte prin calitatea unei substanţe organice de a fi degradată prin mijloace biologice într-un anumit interval de timp. Apele uzate uşor biodegradabile sunt caracterizate prin rapoarte mici CBO5/CCOCr. Biodegradarea reprezintă procesul prin care o substanţă organică este total eliminată datorită activităţii metabolice a unei culturi de microorganisme sau îşi pierde, în măsura convenţional stabilită, proprietăţile nocive. Anumiţi compuşi organici sunt greu biodegradabili sau chiar refractari la activitatea biochimică, în timp ce alte substanţe pot fi toxice pentru bacterii. În apele uzate apar multe tipuri de substanţe organice cu diferite caracteristici de biodegradabilitate care, evident, în mediul polifazic pot influenţa proprietăţile amestecului. În unele cazuri substanţele uşor biodegradabile pot favoriza şi accelera degradarea celor mai greu biodegradabile, iar în altele celulele descompun pe cele uşoare, cele grele trec nealterate sau chiar se generează o inhibiţie de substrat. Tratabilitatea biologică a apei uzate se poate defini prin capacitatea materiei organice de a fi degradată în corelaţie cu capabilitatea biomasei de a reuşi descompunerea acesteia în timpul afectat procesului. Acest termen presupune stabilirea condiţiilor fizicochimice, biodegradabilitatea substanţelor organice, capacitatea genetică a microorganismelor de a degrada materia organică, timpul de operare, creşterea biomasei ca urmare a proceselor de asimilare. Poluanţii industriali pot avea diferite efecte asupra microorganismelor în funcţie de natura şi concentraţia lor. Metalele grele cum ar fi Cd, Cr, Cu, Hg, Zn, Ni, Pb etc.sunt prezene de obicei în efluenţii industriali şi inhibă procesul biologic. Dintre solvenţii organici, compuşii organici Biotehnologii pentru protectia mediului
FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 Axa prioritară nr. 3 „Creşterea adaptabilităţii lucrătorilor şi a întreprinderilor” Domeniul major de intervenţie 3.2. „Formare şi sprijin pentru întreprinderi şi angajaţi pentru promovarea adaptabilităţii” Titlul proiectului: : „COPMED – COMPETENTE PENTRU PROTECTIA MEDIULUI” Contract nr. POSDRU/81/3.2./S/52242 Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 –„Investeşte în oameni!
cloruraţi şi alcoolii sunt toxici pentru procesul biologic. De asemenea, fenolii, pesticidele şi surfactanţii. Majoritatea compuşilor organici din apele uzate menajere şi unele ape industriale pot fi de gradaţi de microorganismele obişnuite din procesele aerobe sau anaerobe. Pe lângă aceştia există un număr mare de compuşi organici sintetici, numiţi compuşi xenobiotici, rezistenţi la biodegradare şi cu potenţial toxic asupra mediului şi sănătăţii. Compuşii organici care sunt dificil de îndepărtat prin procedeele clasice biologice se numesc compuşi refractari. Există şi alte substanţe, naturale, cum sunt cele din produsele petroliere, care de asemenea pun probleme epurării biologice. Datorită cercetărilor din biotehnologie majoritatea compuşilor organici pot fi degradaţi pe cale biologică. Astfel, au fost studiate bacterii capabile să degradeze bifenolii policloruraţi (PCB), bacterii care consumă dioxina, microorganisme obţinute prin inginerie genetică capabile să degradeze 2,4,5 –T (acid acetic triclorofenoxic), microorganisme de tip Pseudomonas care folosesc 2,4 – D (acid acetic diclorofenoxic) ca sursă de carbon, microorganisme care conţin gene purtătoare de plasmide utilizate pentru degradarea compuşilor aromatici (toluen, xilen, derivaţi ai clorului), au fost create şi comercializate bacterii mutante pentru degradarea diferitelor hidrocarburi şi substanţe chimice organice (benzen, fenoli, naftaline, amine, alcooli, detergenţi sintetici, petrol crud sau procesat), bacterii care descompun grăsimile au fost utilizate pentru curăţirea sistemelor de canalizare. Multe organisme permit concentrarea, acumularea sau precipitarea metalelor permiţând astfel recuperarea acestora. Există bacterii care concentrează potasiul, magneziul, manganul, fierul, calciul, nichelul şi cobaltul. Algele concentreaza siliciul, iar cele brunverzi şi fungi concentrează zincul şi alte metale grele. Muşchii şi plantele înalte concentrează mercurul, nichelul, zincul, uraniul, cesiul şi stronţiul. Microorganisme care reduc sulfaţii sunt puse să lucreze la epurarea apelor uzate rezultate de la operaţiile miniere. Microorganisme capabile să degradeze pesticide şi alţi poluanţi au fost izolate şi comercializate în scopul controlului poluării. O serie de inoculi microbieni sunt disponibili pe piaţă pentru bioremedierea poluării cu petrol. De exemplu, amestecuri de bacterii izolate aparţinând genului Pseudomonas se folosesc pentru biorestaurarea in situ a acviferelor contaminate cu hidrocarburi alifatice sau aromatice.Enzime specifice pot fi utilizate pentru a reduce producţia excesivă de polizaharide extracelulare care apar în procesul de epurare a apei şi care conduc la caracteristici slabe de deshidratare a nămolului. Enzime imobilizate se folosesc pentru îndepărtarea compuşilor de lignină din apele uzate rezultate din fabricile de hârtie, iar algele imobilizate îndepărtează cu succes micronutrienţii din efluentul staţiilor de epurare. Septembrie 2010
8
BIOTEHNOLOGIILE – O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA APELOR UZATE
S-au descoperit 3 căi de biodegradare a compuşilor xenobiotici şi refractari: 1) compusul serveşte ca substrat pentru creşterea microorganismelor anaerobe (compuşi nehalogenaţi aromatici sau alifatici: fenol, toluen, alcooli şi ketone) sau aerobe (fenol, benzen, toluen, hidrocarburi poliaromatice, pesticide, benzine, alcooli, ketone, clorură de metilen, clorură de vinil, fenoli cloruraţi şi compuşi din muniţie); 2) compusul organic este acceptor de electron în procesele anaerobe: compuşii organici cloruraţi cum ar fi tetracloretena, tricloretena, tetraclorura de carbon, triclorbenzen, pentaclorfenol, clorohidrocarburi şi PCB; 3) compusul organic este degradat prin cometabolism: compuşi organici cloruraţi cum ar fi tricloretena, dicloretena, clorura de vinil, cloroform, diclormetan şi triclormetan. Dacă un compus este alterat chimic de metabolismul microbian fără a servi ca sursă de carbon sau energie se spune că este cometabolizat. Cometabolismul se pare că apare datorită faptului că enzimele produse de microorganisme pentru activităţile metabolice acţionează şi asupra altor compuşi. Aceste enzime, monooxigenaza şi dioxigenaza, sunt produse de anumite bacterii. În consecinţă, capacitatea de a îndepărta compuşii toxici şi recalcitranţi depinde de existenţa microorganismelor corespunzătoare. Este nevoie, de asemenea, de un timp suficient pentru aclimatizare (ore sau chiar săptămâni). Mulţi dintre compuşii toxici şi recalcitranţi sunt îndepărtaţi în procesul de epurare nu numai prin biodegradare ci şi incidental prin absorbţie, adsorbţie, precipitare şi volatilizare. Nămolul activ are capacitatea de a lega metalele grele de polizaharidele flocoanelor microbiologice. Îndepărtarea incidentală poate apărea şi prin asocierea cu substanţe sedimentabile sau flotanţi, dacă compuşii sunt insolubili, puţin solubili sau hidrofobi. Bioaugmentarea este o metodă de iniţiere a activităţii microbiene şi constă în utilizarea unor formule bacteriene produse în afara procesului de epurare. Formulele bacteriene constau din îngheţarea suspensiilor bacteriene uscate generate din culturi pure şi apoi amestecate pentru a forma o mixtură de câteva specii cu aditivi ca nutrienţi esenţiali şi agenţi de înmuiere. Doza iniţială este foarte mică şi se creşte treptat pentru a compensa pierderea de microorganisme care apare într-o perioadă de timp. Compoziţia acestor culturi nu este cunoscută, fiind secret comercial. Aceste tipuri de microorganismele sunt de 3 feluri: naturale, amestecuri selectate care se propagă într-un singur fermentator şi amestecuri care se propagă individual şi se combină apoi în amestecul final. Microorganismele provin din diverse surse naturale selectate în funcţie de activitatea lor prin diverse tehnici de îmbogăţire. În plus se pot utiliza diverse tehnici de inginerie genetică sau mutageneză pentru a obţine culturi cu eficienţă ridicată de degradare a poluanţilor. Culturile microbiene sunt crescute în cantităţi mari şi uscate. Cele mai multe companii comercializează aceste produse sub formă de pudră cu adaos de agenţi de înmuiere, emulsificatori şi nutrienţi. În funcţie de utilizare ele pot fi de 3 categorii: pentru însămânţare şi îmbunătăţirea epurării unor staţii existente de epurare, pentru curăţarea scurgerilor de uleiuri şi solvenţi, pentru degradarea poluanţilor toxici şi recalcitranţi. Aceste microorganisme împachetate se pot folosi pentru îndepărtarea CBO5, degradarea poluanţilor toxici, atacul împotriva scurgerilor de petrol, îmbunătăţirea generării metanului, eliminarea umflării nămolului în procesul cu nămol activ. Astfel de pachete există pentru ape uzate din industria alimentară, chimică, celuloză şi hârtie, rafinării de petrol. Culturi de bacterii mutante au posibilitatea de Biotehnologii pentru protectia mediului
FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 Axa prioritară nr. 3 „Creşterea adaptabilităţii lucrătorilor şi a întreprinderilor” Domeniul major de intervenţie 3.2. „Formare şi sprijin pentru întreprinderi şi angajaţi pentru promovarea adaptabilităţii” Titlul proiectului: : „COPMED – COMPETENTE PENTRU PROTECTIA MEDIULUI” Contract nr. POSDRU/81/3.2./S/52242 Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 –„Investeşte în oameni!
degardare a fenolilor, cresolilor, naftalinelor, derivaţilor benzenului, esteri alcoolici, detergenţi sintetici, surfactanţi, benzină, kerosen, cianuri şi alţi compuşi toxici. Aceste produse tolerează variaţii ale pH, oxigen dizolvat, temperatură etc. Ele pot degrada compuşii toxici recalcitranţi cum sunt pesticidele. În prezent sunt disponibili aditivi cu bacterii mutante pentru îmbunătăţirea creşterii naturale a populaţiei bacteriene în procesele cu nămol activ, biofiltru sau lagune. Adăugarea regulată a acestor bacterii determină răspunsul mai rapid al procesului în perioada de amorsare, la şocurile de încărcare sau în condiţii de temperaturi scăzute. Utilizarea culturilor de amorsare sau a pachetelor de microorganisme este avantajoasă din anumite puncte de vedere. Aceste culturi bacteriene reduc faza de lag care apare la microorganismele indigene neadaptate şi, ceea ce este mai important, microorganismele naturale nu au capacitatea genetică de a utiliza compuşii sintetici. Pentru bioaugmentarea proceselor de nitrificare se poate introduce de nămol de nitrificare cultivat extern, dar această tehnică are două dezavantaje: bacteriile pot să nu fie optime pentru procesul specific din staţia de epurare, iar dacă sunt introduse celule în suspensie acestea pot fi îndepărtate de protozoarele din nămolul existent în bazin. Astfel, s-a ajuns la concluzia că este mai bine să se să se cultive bacterii nitrificatoare într-un bazin auxiliar, amplasat în staţia de epurare, prin introducerea de nămol din bazinul de aerare şi alimentarea continuă cu apă de la ieşirea din fermentator. În acest mod, bacteriile nitrificatoare care vor creşte în flocoanele de nămol vor aparţine sistemului şi nu vor fi îndepărtate de protozoare. Una dintre realizările extraordinare în domeniul epurării apelor uzate a constituit-o descoperirea bacteriei Anammox la începutul anilor 1990, care a condus la noi tehnologii de epurare a apelor încărcate cu amoniu: Anammox, Sharon – Anammox, Canon şi Oland. Concluzii Procesele biologice sunt cele mai eficiente în îndepărtarea poluanţilor organici biodegradabili. Cercetările din biotehnologie au permis însă identificarea căilor de îndepărtare a multor poluanţi periculoşi care nu pot fi îndepărtaţi prin procedee clasice. De asemenea, există în prezent o serie de metode, cu microorganisme cultivate independent, modificate genetic sau mutante, utilizate pentru îmbunătăţirea funcţionării proceselor biologice sau îndepărtarea unor poluanţi specifici. Probabil că în viitor, cum procesele biologice se bazează pe microorganisme, vor fi create noi tehnologii bazate pe descoperirile revoluţionare din microbiologie şi genetică.
Septembrie 2010
10
BIOTEHNOLOGIILE – O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA APELOR UZATE
Bibliografie 1. Bitton, G. Wastewater microbiology, 3rd Ed, John Wiley&Sons, 2005. 2. Cheremisinoff, N.P. Biotechnology for waste and wastewater treatment, Noyes Publications, 1996. 3. Chandrawati, J.E. Environmental Biotechnology, APH Publishing Corporation, 2007. 4. Henze, M., van Loosdrecht, M., Ekama, G., Brdjanovic, D. Biological Wastewater Treatment: Principles, Modeling and Design, IWA Publishing, 2008. 5. Metcalf&Eddy. Wastewater engineering. Treatment and reuse, fourth edition, McGraw Hill, 2003. 6. Robescu, Diana. Modelarea proceselor biologice de epurare a apelor uzate, Editura POLITEHNICA Press, 2009. 7. Robescu, D., Robescu, Diana, Lanyi, S., Constantinescu, I. – Tehnologii, instalaţii şi echipamente pentru epurarea apei, Editura Tehnică, Bucureşti, 2000. 8. ***. Design of Municipal Wastewater Treatment Plants, 4th ed., WEF manual of Practice 8, ASCE Manual and Report on Engineering Practice No.76, 1998.
Biotehnologii pentru protectia mediului
12
BIOTEHNOLOGIILE – O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA APELOR UZATE
Biotehnologii pentru protectia mediului