Eksperimentalne metode u obradi otpadnih voda
Eksperimentalne metode u obradi otpadnih voda Mark C. M. van Loosdrecht Per H. Nielsen Carlos M. Lopez-Vazquez Damir Brdjanovic
Nakladnik originalnog engleskog izdanja:
IWA Publishing
Alliance House 12 Caxton Street London SW1H 0QS, UK T: +44 (0) 20 7654 5500 F: +44 (0) 20 7654 5555 E: publications@iwap.co.uk I: www.iwapublishing.com Prvo izdanje 2016. © 2016 IWA Publishing Nakladnici hrvatskog izdanja:
Synopsis d.o.o. Zagreb Vlade Gotovca 4, 10000 Zagreb
Synopsis d.o.o. Sarajevo Maršala Tita 32, 71000 Sarajevo
Za nakladnike hrvatskog izdanja: Ivan Pandžić Fadila Halvadžija Izvršni urednik hrvatskog izdanja: Prof. dr. Damir Brdjanovic Urednici hrvatskog izdanja: prof. dr. sc. Nevenko Herceg prof. dr. sc. Marin Matošić doc. dr. sc. Josip Ćurko Jurica Mikulić, dipl. ing. dr. sc. Mara Pavelić doc. dr. sc. Mario Šiljeg doc. dr. sc. Siniša Širac Tanja Šikić, dipl. ing. prof. dr. sc. Ivan Mijatović Predgovor hrvatskom izdanju: prof. dr. sc. Ivan Mijatović Recenzenti hrvatskom izdanju: prof. dr. sc. Marin Matošić doc. dr. sc. Josip Ćurko Prijevod s engleskog jezika: Tatjana Jauk Korektura Darko Rubčić Grafičko oblikovanje i prijelom Peter Stroo Hans Emeis Tisak Grafički zavod Hrvatske d.o.o., Zagreb ISBN 978-9958-01-039-2 (Sarajevo) ISBN 978-953-7968-47-2 (Zagreb) CIP zapis je dostupan u računalnome katalogu Nacionalne i sveučilišne knjižnice u Zagrebu pod brojem 000943218. Tisak dovršen u listopadu 2016.
Predgovor hrvatskom izdanju Preduvjet svakog napretka u procesu obrade otpadnih voda i razumijevanja tog interdisciplinarnog i složenog procesa je znanje svih sudionika koji učestvuju u toj kompleksnoj tehnologiji. Znanstvena istraživanja na tom području razvila su mnoge različite tehnologije obrade koje se primjenjuju u praksi kao i pouzdane metode praćenja svih segmenata tehnologije. Svi ti procesi obrade i praćenja procesa u funkciji su cilja očuvanja i zaštite okoliša kao naše profesionalne, etičke i kulturološke zadaće. Zato je od vitalnog značenja obrazovanje i edukacija te međusobna razmjena znanja i iskustva svih sudionika koji učestvuju u toj nadasve kompleksnoj tehnologiji. U knjizi “Eksperimentalne metode obrade otpadnih voda” na jednom mjestu sakupljena su svjetska iskustva i znanja eksperimentalnih tehnika i metoda praćenja sustava obrade. Knjiga predstavlja visoko vrijedan materijal za proširenje i utvrđivanje znanja te obuku svih sudionika u tom interdisciplinarnom procesu. Autori knjige predstavljaju uvažene svjetski poznate znanstvenike bogatog znanstvenog i praktičkog iskustva koji su nam svoje znanje i iskustvo podarili putem ove knjige. Knjiga će dati veliki doprinos razumijevanju tehnologije obrade otpadnih voda i naprednih metoda praćenja procesa obrade čime će se unaprijediti toliko potrebna komunikacija među znanstvenicima i stručnjacima koji se bave procesom obrade te usuglasiti i razjasniti sve nejasnoće i dati na uvid upute o najboljoj eksperimentalnoj praksi. Knjiga predstavlja vrijedan materijal za utvrđivanje i proširenje znanje o svim vitalnim operacijama u složenom procesu bioloških, kemijskih, mikrobioloških, biokemijskih i mehaničkih operacija tehnologije obrade za studente svih vidova studija, istraživače, osoblju koje radi na uređajima, laboratorijskim djelatnicima kao i svima onima koji žele proširiti svoje znanje iz područja tehnologije obrade otpadnih voda.
Autori pored iznimno dobrog poznavanja teorije i prakse te eksperimentalnih metoda u tehnologiji obrade uz temeljito poznavanje globalnih trendova u svijetu znanosti i obrazovanju, svojim pedagoški pristupom u prezentiranju činjenica eksperimentalnih metoda ali i iskustvom u praktičnom radu sa studentima daju nam ovu nadasve visoko vrijednu knjigu. Stečena znanja iz knjige omogućiti će proširenje vizija i znanja o otpadnoj vodi kao sekundarnoj sirovini, ekonomskom resursu i mogućnostima njene ponove uporabe te na osnovu eksperimentalne prakse omogućiti izdvajanju vrijednih sastojaka iz otpadne vode u funkciji cilja nultog ispuštanja. Zahvaljujemo autorima knjige kao i izdavaču IWA koji su nam dozvolili prijevod ove knjige na hrvatski jezik i time omogućili da putem prijevoda knjige pomognemo svima onima koji se profesionalno bave ili se počinju baviti ovom tehnologijom. Zahvaljujući praktičnom iskustvu i bogatom teorijskom znanju i praćenju suvremenih profesionalnih kretanja u svijetu autori su nam podarili uistinu jednu cjelovitu, praktičnu i sadržajnu knjigu za vrijeme u kojem živimo, ali i za buduće generacije koje dolaze.
Prof. dr. sc. Ivan Mijatović
Predgovor engleskom izdanju Obrada otpadne vode je ključna tehnologija za zaštitu i ponovno korištenje vodnih resursa, što je jasno dokazano velikim uspjehom njezine dosljedne provedbe u mnogim državama širom svijeta. Zadnjih su desetljeća znanstvena istraživanja ostvarila ogroman napredak na razumijevanju složenih i interdisciplinarnih aspekata uključenih bioloških, biokemijskih, kemijskih i mehaničkih procesa. Može se zaključiti da će globalna primjena postojećih znanja i iskustava o tehnologiji obrade otpadne vode biti temelj u budućem upravljanju vodama, što je izraženo i u Strateškim ciljevima razvoja koje su prihvatili Ujedinjeni narodi u rujnu 2015. godine. Danas se na odgovarajući način obrađuje tek oko petine proizvedenih otpadnih voda širom svijeta. Kako bi se ostvario cilj održivog upravljanja vodama do 2030. godine, trebali bi dodatni uređaji za obradu otpadne vode za oko 600.000 ljudi svakoga dana. Uvjeren sam da će ova knjiga znatno pridonijeti ostvarivanju tog ambicioznog cilja. U bliskoj će budućnosti većina svjetskog stanovništva živjeti u gradovima i u zemljama niskog i srednjeg dohotka, gdje se većina otpadne vode ne obrađuje na odgovarajući način. Faktor koji najviše ograničava ostvarivanje ciljeva održivog upravljanja vodama vjerojatno je manjak kvalificiranih, dobro osposobljenih stručnjaka koji su sposobni pojmiti rezultate znanstvenih istraživanja i prenijeti ih u praksu. Stoga je od najveće važnosti širom svijeta omogućiti pristup trenutno dostupnim znanstvenim dostignućima i dokazanim iskustvima u tehnologiji obrade otpadne vode. To je bio i jedan od pokretača izrade ove knjige koja predstavlja inovativan doprinos i pomoć u prevladavanju izazova u razvoju kapaciteta. Očekuje se da će ova knjiga nesumnjivo pridonijeti premošćivanju jaza između znanosti i tehnologije i primjena tehnologije u praksi. Velik broj autora i recenzenata predstavlja interdisciplinarni tim svjetski priznatih stručnjaka. Knjiga će na taj način dati velik doprinos uspostavi zajedničkog stručnog jezika kojim će se unaprijediti globalna komunikacija među stručnjacima za otpadne vode. Uz to, autori su opis znanstvenog temelja za procese obrade otpadne vode povezali s online tečajem s video materijalima za obuku studenata, istraživača, inženjera, laboratorijskih
tehničara i upravitelja uređaja za obradu, zorno prikazavši općenito prihvaćene procedure eksperimentiranja i njihovu primjenu u radu uređaja za obradu u laboratorijskom, probnom i punom mjerilu. S gledišta Međunarodnog udruženja za vode (IWA), ova knjiga također ima snažan potencijal unaprijediti razvoj nove generacije istraživača i omogućiti im da komuniciraju na globalnoj razini i izvan područja njihove specijalnosti. Oba ta aspekta su hitno potrebna kako bi se razvila prilagođena rješenja za specifične lokalne uvjete i postala svugdje dostupna za provedbu. Određeno je vrijeme bio prisutan trend da se znanstveno istraživanje i praksa međusobno udaljuju. Jedan od razloga tome je globalna provedba metode akademske procjene koja se prvenstveno fokusira na utjecaj publikacija na napredak u znanstvenom istraživanju. Rezultati primijenjenog istraživanja s utjecajem na praksu upravljanja kvalitetom vode još uvijek nisu dovoljno nagrađeni budući da njihov utjecaj nije uvijek odražen u citatima u znanstvenim časopisima. Ova knjiga nastoji riješiti taj problem budući da joj je cilj poboljšati dijalog i suradnju između znanstvenika i praktičara. Znanstvenike se potiče da se bave praktičnim problemima pomoću znanstvenih metoda, dok se praktičare potiče da razumiju znanstvenu pozadinu svih procesa relevantnih za optimizaciju uređaja za obradu. I dok je rad klasičnog uređaja za obradu otpadne vode bio motiviran kvalitetom efluenta i svođenjem troškova na minimum, ova knjiga u cijelosti objedinjuje paradigmatski pomak prema oporabi materijala i energije iz otpadne vode. U tom pogledu, ova je knjiga jako važna i za razvijene zemlje, budući da će nova paradigma snažno djelovati na budući razvoj gospodarenja otpadnom vodom širom svijeta. Kao predsjednik IWA-e, čestitam autorima ove knjige na velikom postignuću i zahvaljujem Zakladi Billa i Melinde Gates i Vladi Kraljevine Nizozemske na financijskoj potpori.
Prof. dr. Helmut Kroiss Predsjednik International Water Association (IWA)
Autori Carlos M. Lopez-Vazquez Damir Brdjanovic Eldon R. Rene Elena Ficara Elena Torfs Eveline I.P. Volcke George A. Ekama Glen T. Daigger Gürkan Sin Henri Spanjers Holger Daims Ilse Y. Smets Imre Takács Ingmar Nopens Jeppe L. Nielsen Jiři Wanner Juan A. Baeza Kartik Chandran Krist V. Gernaey Laurens Welles Mads Albertsen Mari K.H. Winkler Mark C.M. van Loosdrecht Mathieu Spérandio Morten S. Dueholm Nancy G. Love Per H. Nielsen Peter A. Vanrolleghem Piet N.L. Lens Rasmus H. Kirkegaard Robert J. Seviour Sebastiaan C.F. Meijer Sophie Balemans Søren M. Karst Sylvie Gillot Tessa P.H. van den Brand Tommaso Lotti Yves Comeau
UNESCO-IHE Institute for Water Education, Nizozemska UNESCO-IHE Institute for Water Education, Nizozemska UNESCO-IHE Institute for Water Education, Nizozemska Tehničko sveučilište, Milano, Italija Sveučilište Laval, Kanada Sveučilište u Ghentu, Belgija Sveučilište u Cape Townu, Južnoafrička Republika Sveučilište Michigan, Sjedinjene Američke Države Dansko tehničko sveučilište, Danska Tehničko sveučilište u Delftu, Nizozemska Sveučilište u Beču, Austrija Katoličko sveučilište u Leuvenu, Belgija Dynamita, Francuska Sveučilište u Ghentu, Belgija Sveučilište u Aalborgu, Danska Visoka kemijsko-tehnološka škola, Prag, Češka Republika Autonomno sveučilište u Barceloni, Spain Sveučilište Columbia, Sjedinjene Američke Države Dansko tehničko sveučilište, Danska UNESCO-IHE Institute for Water Education, Nizozemska Sveučilište u Aalborgu, Denmark Sveučilište Washington, Sjedinjene Američke Države Tehničko sveučilište u Delftu, Nizozemska Nacionalni institut za primijenjene znanosti, Toulouse, Francuska Sveučilište u Aalborgu, Danska Sveučilište Michigan, Sjedinjene Američke Države Sveučilište u Aalborgu, Danska Sveučilište Laval, Kanada UNESCO-IHE Institute for Water Education, Nizozemska Sveučilište u Aalborgu, Danska Sveučilište La Trobe, Australija Yuniko BV, Nizozemska Sveučilište u Ghentu, Belgija Sveučilište u Aalborgu, Danska IRSTEA, France KWR Watercycle Research Institute, Nizozemska Tehničko sveučilište, Milano, Italija
Tehničko sveučilište, Montréal, Canada
1. 2. 1. 2. 2. 2. 6. 4. 3. 6. 5. 3. 8. 6. 6. 6. 7. 7. 5. 4. 5. 2. 8. 6. 1. 2. 4. 3. 8. 2. 1. 7. 8. 3. 4. 6. 2. 8. 7. 5. 6. 8. 4. 2. 2. 2. Autor poglavlja Recenzent poglavlja
O recenzentima hrvatskog izdanja prof. dr. sc. Nevenko Herceg
doc. dr. sc. Siniša Širac
Prof. Nevenko Herceg objavio je više od 100 znanstvenih i stručnih radova u domaćim i međunarodnim časopisima, a bio je urednik većeg broja zbornika, monografija, priručnika i časopisa. U autorstvu i koautorstvu objavio je 7 knjiga. Organizator je i sudionik brojnih međunarodnih i domaćih znanstvenih i stručnih konferencija, te pokretač i realizator brojnih projekata. Dobitnik je brojnih domaćih i međunarodnih priznanja, nagrada i odličja od kojih izdvajamo “Zlatnu povelju humanizma desetljeća u znak trajne zahvalnosti i poštovanja za humanistički rad“.
Dr. Siniša Širac djelatnik je Hrvatskih voda. Kao voditelj i kao član stručnog tima, unutar aktivnosti EU sektora, projekta Unutarnje vode i Jadranskog projekta te projekata na temelju odluka Vlade RH, sudjelovao je u realizaciji više od 50-ak projekata izgradnje uređaja za pročišćavanje otpadnih voda. U svojem znanstveno istraživačkom radu bavi se primjenom i istraživanjima iz područja pročišćavanja otpadnih voda. Autor i koautor je više od 70-ak znanstvenih i stručnih radova. Nositelj je predmeta „ Pročišćavanje otpadnih voda“ na Zavodu za hidrotehniku pri Geotehničkom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu.
prof. dr. sc. Marin Matošić
doc. dr. sc. Mario Šiljeg
Prof. Marin Matošić redoviti je profesor na Prehrambenobiotehnološkom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu gdje vodi Laboratorij za tehnologiju vode. U svom znanstveno-istraživačkom radu najviše se bavi istraživanjem različitih procesa obrade voda za piće, tehnoloških i otpadnih voda. Autor je više od 40 znanstvenih i stručnih radova iz područja obrade vode te više od 40 tehnoloških projekata uređaja za obradu vode. Nositelj je predmeta koji se bave obradom vode na preddiplomskim, diplomskim i doktorskim studijima, te predsjednik Odbora za e-učenje Prehrambenobiotehnološkog fakulteta.
Dr. Mario Šiljeg docent je na Geotehničkom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu gdje je nastavnik u Zavodu za inženjerstvo okoliša. U svom znanstveno-istraživačkom radu najviše se bavi istraživanjem različitih procesa obrade voda za piće, tehnoloških i otpadnih voda. Autor je i koautor više od 30 znanstvenih i stručnih radova iz područja obrade vode, više tehnoloških projekata uređaja za obradu vode, kao i suradnik u izradi više studija utjecaja na okoliš. Nositelj je više kolegija iz područja inženjerstva okoliša. Trenutno obnaša dužnost zamjenika ministra zaštite okoliša i prirode.
doc. dr. sc. Josip Ćurko
Jurica Mikulić, dipl. ing.
Dr. Josip Ćurko je docent na Prehrambeno-biotehnološkom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu u Laboratoriju za tehnologiju vode. U svom znanstveno-istraživačkom radu najviše se bavi istraživanjem različitih procesa obrade voda za piće, tehnoloških i otpadnih voda. Autor je više od 20 znanstvenih i stručnih radova iz područja obrade vode, te koautor na više od 20 tehnoloških projekata uređaja za obradu vode. Nositelj je i suradnik na predmetima koji se bave obradom vode na preddiplomskim i diplomskim studijima.
Jurica Mikulić je djelatnik ECOINA-e iz Zagreba koja se bavi konzaltingom i inženjeringom iz zaštite okoliša. Sudjelovao je i vodio projektiranje i izgradnju procesnih postrojenja u naftnoj industriji, petrokemiji itd., kao i uređaja za obradu tehnoloških i komunalnih otpadnih voda. Na temelju iskustva iz prakse i mnogih projekata sa raznih područja obrade tehnoloških i komunalnih otpadnih voda sa suradnicima u ECOINA-i su razvili vlastite tehnologije obrade tehnoloških, industrijskih i komunalnih otpadnih voda.
dr. sc. Mara Pavelić
Tanja Šikić, dipl. ing.
Dr. sc. Mara Pavelić sudjelovala je u značajnim vodnogospodarskim projektima, od 2014. godine voditeljica je Sektora zaštite voda u Hrvatskim vodama. Doktorirala je 2009. godine na Prehrambeno-biotehnološkom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu. Dobitnica je priznanja Prehrambeno-biotehnološkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu za izvanredne doprinose u promicanju visokog obrazovanja, znanosti i struke. Od 2015. godine predsjednica je Hrvatskog društva za zaštitu voda i hrvatska predstavnica u Vijeću Europskog udruženja za vode (EWA). Predstavnica Hrvatskih voda u odboru komitologije Europske komisije, voditeljica je Ekspertne jedinice u slučaju izvanrednih i iznenadnih onečišćenja voda.
Tanja Šikić djelatnica je Hrvatskih voda. U sklopu projekta Unutarnje vode, financiranom iz zajma Svjetske Banke, vodila je projekte projektiranja i izgradnje nekoliko uređaja za pročišćavanje otpadnih voda različitih tehnologija i kapaciteta. U svojem znanstveno-istraživačkom radu na poslijediplomskom doktorskom studiju Biotehnologija i bioprocesno inženjerstvo pri Prehrambenobiotehnološkom fakultetu, bavi se procesima pročišćavanja otpadnih voda. Izabrana je u zvanje asistent na Zavodu za hidrotehniku pri Geotehničkom fakultetu gdje sudjeluje u izvođenju nastave iz predmeta „Pročišćavanje otpadnih voda“.
prof. dr. sc. Ivan Mijatović Prof. Ivan Mijatović redoviti je profesor koji je svoju znanstvenoistraživačku i stručnu djelatnost usmjerio na istraživanje i primjenu modernih separacijskih procesa u tehnologiji pripreme vode za piće te u pripremi tehnoloških i obradi otpadnih voda. Sudjelovao je u radu i vođenju mnogih znanstvenih i stručnih projekata, diplomskih, magistarskih i doktorskih disertacija te je objavio je mnogobrojne znanstvene i stručne radove. Za osobite zasluge u razvoju znanosti odlikovan je redom Danice s likom Ruđera Boškovića 1997. godine.
O urednicima engleskog izdanja
Prof. Dr. ir. Mark van Loosdrecht Mark C.M. van Loosdrecht je ugledan znanstvenik poznat po velikom doprinosu proučavanju smanjivanja potrošnje energije i potrebnog prostora uređaja za obradu otpadne vode kroz patentirane i nagrađene tehnologije Sharon®, Anammox® i Nereda®. Njegov rad je fokusiran na korištenje kultura mikroorganizama na području okolišnog inženjerstva, s posebnim naglaskom na uklanjanje hranjivih tvari, biofilm i mikrobiološko obrastanje. Redoviti je profesor i voditelj istraživačke skupine Okolišna biotehnologija na Tehničkom sveučilištu (TU) u Delftu. Član Nizozemske kraljevske akademije znanosti i umjetnosti (KNAW), Nizozemske akademije tehnologije i inovacija (AcTI) i Međunarodnog udruženja za vode (IWA), profesor van Loosdrecht je osvojio brojne prestižne nagrade. Njegovi istraživački interesi uključuju sustave granularnog mulja, polimeri koje proizvode mikroorganizmi, obradu otpadne vode, obradu plina, obradu tla, mikrobnu konverziju anorganskih spojeva, proizvodnju kemikalija iz otpada i modeliranje. Pored ostalih postignuća, objavio je više od 500 radova, dosad je bio mentor 65 studenata doktorskog studija i počasni je profesor na Sveučilištu Queensland. Trenutno je i glavni urednik IWA-inog časopisa Water Research i savjetnik za IWA Publishing.
Prof. Dr. Per H. Nielsen Per H. Nielsen je redoviti profesor Odsjeka za kemiju i bioznanost Sveučilišta u Aalborgu u Danskoj, gdje vodi multidisciplinarni Centar za mikrobne zajednice. Kao gost-znanstvenik radi i u Centru za okolišno inženjerstvo na Tehnološkom sveučilištu Nanyang u Singapuru. Istraživačka skupina prof. Nielsena je više od 25 godina aktivna u biotehnologiji okoliša, s fokusom na mikrobnu ekologiju biološke obrade otpadnih voda, proizvodnju bioenergije, biološko obnavljanje okoliša, biofilmove, infekciju implantata i razvoj sustavnih mikrobioloških pristupa utemeljenih na novim tehnologijama sekvenciranja. Osam je godina (2005. – 2013.) predsjedao stručnom skupinom IWA-e Mikrobna ekologija i hidrotehnika i predsjednik je IWA BioCluster. Član je Danske akademije tehničkih znanosti (ATV) i Međunarodnog udruženja za vode (IWA) i osvojio je nekoliko prestižnih nagrada. Objavio je više od 230 recenziranih publikacija i bio je mentor 25 doktoranada. Glavno područje njegovog istraživačkog interesa je mikrobna ekologija u hidrotehnici, naročito povezano s obradom otpadnih voda gdje je razvio i primijenio nekoliko novih metoda za proučavanje nekultiviranih mikroorganizama, npr. korištenjem tehnologija sekvenciranja iduće generacije. Pokrenuo je i odgovoran je za slobodno dostupnu bazu podataka o mikroorganizama prisutnima u aktivnom mulju (MiDAS) za mikrobiologiju otpadnih voda.
Dr. Carlos M. Lopez-Vazquez Carlos M. Lopez-Vazquez je izvanredni professor tehnologije obrade otpadne vode pri UNESCO-IHE Institute for Water Education. Doktorirao je 2009. godine na području biotehnologije okoliša (cum laude) na Tehničkom sveučilištu u Delftu i UNESCOIHE Institute for Water Education. Tijekom svoje profesionalne karijere sudjelovao je na različitim savjetodavnim i konzultantskim projektima i za javni i za privatni sektor o sustavima obrade komunalnih i industrijskih otpadnih voda. Nakon što je nekoliko godina radio u Odjelu za istraživanje i razvoj vode u Nalco Europe na obradi industrijske vode i otpadne vode, 2009. godine se ponovno pridružio skupini Sanitarno inženjerstvo pri UNESCOIHE. Otad je uključen u projekte edukacije, jačanja kapaciteta i istraživanja gdje je mentor desecima studenata magistarskog studija i nekolicini studenata doktorskog studija. Korištenjem matematičkog modeliranja kao neophodnog alata, poseban fokus stavlja na razvoj i prijenos inovativnih i troškovno isplativih tehnologija obrade otpadnih voda zemljama u razvoju, zemljama u tranziciji i primjenama u industriji.
Prof. Dr. Damir Brdjanovic Damir Brdjanovic je profesor sanitarnog inženjerstva na UNESCOIHE i profesor na Tehničkom sveučilištu u Delftu u skupini Okolišna biotehnologija. Uža specijalnost su mu zbrinjavanje otpadnih voda u slabije razvijenim zemljama i u kriznim situacijama, gospodarenje otpadnim muljem, urbana odvodnja i obrada otpadnih voda. Pionir je u praktičnoj primjeni modela obrade otpadnih voda u zemljama u razvoju. Izumio je uređaj Shit Killer® za zbrinjavanje otpadnih voda u kriznim situacijama, nagrađen eSOS® Smart Toilet i s time povezan softver eSOS Monitor®, što je financirala Zaklada Billa i Melinde Gates (BMGF). Pokrenuo je razvoj i provedbu inovativnih didaktičnih pristupa i novih obrazovnih proizvoda (uključujući e-učenje) pri UNESCO-IHE. 2015. godine je zajedno s BMGF osnovao Global Faecal Sludge Management e-learning Alliance. Njegova skupina trenutno ima 10 stalnih djelatnika, tri post doktoranda i 22 doktoranda. Osim toga, dosad je pod njegovim mentorstvom magistriralo više od 100 studenata. Prof. Brdjanovic je objavio velik broj radova, jedan je od pokretača IWA-inog časopisa Journal of Water, Sanitation and Hygiene for Development te pokretač, autor i urednik pet knjiga na području odvodnje i pročišćavanja otpadnih voda. 2015. godine postao je počasni član Međunarodnog udruženja za vode (IWA Fellow).
Sadržaj 1. UVOD
1
Mark C.M. van Loosdrecht, Per H. Nielsen, Carlos M. Lopez-Vazquez i Damir Brdjanovic (aut.)
2. TESTOVI AKTIVNOSTI AKTIVNOG MULJA
7
Carlos M. Lopez-Vazquez, Laurens Welles, Tommaso Lotti, Elena Ficara, Eldon R. Rene, Tessa P.H. van den Brand, Damir Brdjanovic i Mark C.M. van Loosdrecht (aut.) Yves Comeau, Piet N.L. Lens i Nancy G. Love (rec.) 2.1 UVOD 2.2 POBOLJŠANO BIOLOŠKO UKLANJANJE FOSFORA 2.2.1 Opis procesa 2.2.2 Eksperimentalna struktura 2.2.2.1 Reaktori 2.2.2.2 Uzimanje uzoraka aktivnog mulja 2.2.2.3 Priprema uzoraka aktivnog mulja 2.2.2.4 Supstrat 2.2.2.5 Analitički postupci 2.2.2.6 Parametri od interesa 2.2.3 Šaržni testovi aktivnosti EBPR: Priprema 2.2.3.1 Oprema 2.2.3.2 Materijali 2.2.3.3 Priprema medija 2.2.3.4 Priprema materijala 2.2.3.5 Priprema aktivnog mulja 2.2.4 Šaržni testovi aktivnosti: Izvođenje 2.2.4.1 Anaerobni šaržni testovi aktivnosti EBPR 2.2.4.2 Anoksični šaržni testovi EBPR 2.2.4.3 Aerobni šaržni testovi EBPR 2.2.5 Analiza podataka 2.2.5.1 Procjena stehiometrijskih parametara 2.2.5.2 Procjena kinetičkih parametara 2.2.6 Rasprava i tumačenje podataka 2.2.6.1 Anaerobni šaržni testovi aktivnosti 2.2.6.2 Aerobni šaržni testovi aktivnosti 2.2.6.3 Anoksični šaržni testovi aktivnosti 2.2.7 Primjer 2.2.7.1 Opis 2.2.7.2 Analiza podataka 2.2.8 Dodatna razmatranja 2.2.8.1 Pojava GAO u EBPR sustavima 2.2.8.2 Učinak izvora ugljika 2.2.8.3 Učinak temperature 2.2.8.4 Učinak pH 2.2.8.5 Denitrifikacija pomoću EBPR kultura 2.2.8.6 Višak/manjak unutarstaničnih spojeva 2.2.8.7 Prekomjerna aeracija 2.2.8.8 Manjak esencijalnih iona 2.2.8.9 Toksičnost/inhibicija 2.3 BIOLOŠKA REDUKCIJA SULFATA 2.3.1 Opis procesa 2.3.2 Specijacija sulfida 2.3.3 Učinci okolišnih i operativnih uvjeta na SRB 2.3.3.1 Izvor ugljika 2.3.3.2 Omjer COD i SO422.3.3.3 Temperatura 2.3.3.4 pH
7 9 9 11 11 16 16 18 19 22 22 22 24 24 25 28 29 30 33 34 36 36 40 42 42 44 45 46 46 49 50 50 51 51 51 51 52 52 52 53 54 54 56 57 57 58 58 59
2.3.3.5 Kisik 2.3.4 Eksperimentalna struktura 2.3.4.1 Procjena volumetrijskih i specifičnih brzina 2.3.4.2 Reaktor 2.3.4.3 Miješanje 2.3.4.4 Kontrola pH 2.3.4.5 Kontrola temperature 2.3.4.6 Otvori za uzorkovanje i doziranje 2.3.4.7 Uzimanje uzoraka 2.3.4.8 Medij 2.3.5 Analitičke procedure 2.3.5.1 CODorganics i CODtotal 2.3.5.2 Sulfat 2.3.5.3 Sulfid 2.3.6 Šaržni testovi aktivnosti SRB: priprema 2.3.6.1 Oprema 2.3.6.2 Materijali 2.3.6.3 Medij 2.3.6.4 Priprema materijala 2.3.6.5 Priprema mješavine mulja i vode 2.3.6.6 Uzimanje i obrada uzoraka 2.3.7 Šaržni testovi aktivnosti: izvođenje 2.3.8 Analiza podataka 2.3.8.1 Masene bilance i izračuni 2.3.8.2 Rasprava i tumačenje rezultata 2.3.9 Primjer 2.3.10 Praktične preporuke 2.4 BIOLOŠKO UKLANJANJE DUŠIKA 2.4.1 Opis procesa 2.4.1.1 Nitrifikacija 2.4.1.2 Denitrifikacija 2.4.1.3 Anaerobna oksidacija amonija (ANAMMOX) 2.4.2 Mogućnosti praćenja procesa 2.4.2.1 Kemijsko praćanje 2.4.2.2 Titrimetrijsko praćenje 2.4.2.3 Manometrijsko praćenje 2.4.3 Eksperimentalna struktura 2.4.3.1 Reaktori 2.4.3.2 Oprema za titrimetrijske testove 2.4.3.3 Oprema za manometrijske testove 2.4.3.4. Uzimanje uzorka aktivnog mulja 2.4.3.5 Priprema uzorka aktivnog mulja 2.4.3.6 Supstrat 2.4.3.7 Analitičke procedure 2.4.3.8 Parametri od interesa 2.4.3.9 Vrsta šaržnih testova 2.4.4 Nitrifikacijski šaržni testovi aktivnosti: priprema 2.4.4.1 Oprema 2.4.4.2 Materijali 2.4.4.3 Priprema medija 2.4.5 Nitrifikacijski šaržni testovi aktivnosti: izvođenje 2.4.6 Denitrifikacijski šaržni testovi aktivnosti: priprema 2.4.6.1 Oprema 2.4.6.2 Materijali 2.4.6.3 Radne otopine 2.4.6.4 Priprema materijala 2.4.7 Denitrifikacijski šaržni testovi aktivnosti: izvođenje 2.4.8 ANAMMOX šaržni testovi aktivnosti: priprema
59 60 60 61 61 61 61 62 62 62 63 63 64 64 65 65 65 65 66 67 68 68 69 69 70 70 72 73 73 73 74 75 76 76 77 78 78 78 79 80 80 81 82 83 83 85 86 86 86 86 87 92 92 92 93 93 93 98
2.4.8.1 Oprema 2.4.8.2 Materijali 2.4.8.3 Radne otopine 2.4.8.4 Priprema materijala 2.4.9 ANAMMOX šaržni testovi aktivnosti: izvođenje 2.4.10 Primjeri 2.4.10.1 Nitrifikacijski šaržni test aktivnosti 2.4.10.2 Denitrifikacijski šaržni test aktivnosti 2.4.10.3 ANAMMOX šaržni test aktivnosti 2.4.11 Dodatna razmatranja 2.4.11.1 Prisutnost ostalih organizama 2.4.11.2 Manjak esencijalnih mikro- i makro-nutrijenata 2.4.11.3 Učinci toksičnosti ili inhibicije 2.4.11.4 Učinci izvora ugljika na denitrifikaciju 2.5 AEROBNO UKLANJANJE ORGANSKE TVARI 2.5.1 Opis procesa 2.5.2 Eksperimentalna struktura 2.5.2.1 Reaktori 2.5.2.2 Uzimanje uzoraka aktivnog mulja 2.5.2.3 Priprema uzoraka aktivnog mulja 2.5.2.4 Medij 2.5.2.5 Analitički testovi 2.5.2.6 Parametri od interesa 2.5.3 Aerobni šaržni testovi aktivnosti organske tvari: priprema 2.5.3.1 Oprema 2.5.3.2 Materijali 2.5.3.3 Radne otopine 2.5.3.4 Priprema materijala 2.5.3.5 Priprema aktivnog mulja 2.5.4 Aerobni šaržni testovi aktivnosti organske: izvođenje 2.5.5 Analiza podataka 2.5.6 Primjer 2.5.6.1 Opis 2.5.6.2 Analiza podataka 2.5.7 Dodatna razmatranja i preporuke 2.5.7.1 Istovremeno pohranjivanje i mikrobni rast 2.5.7.2 Manjak nutrijenata 2.5.7.3 Toksičnost ili inhibicija
99 99 99 100 100 103 103 104 106 108 108 109 109 110 111 111 112 112 112 113 113 114 114 115 115 115 115 116 117 117 118 119 119 119 121 121 121 121
3. RESPIROMETRIJA
133
Henry Spanjers i Peter A. Vanrolleghem (aut.) George A. Ekama i M. Spérandio (rec.) 3.1 UVOD 3.1.1 Osnove respiracije 3.1.2 Osnove respirometrije 3.2 OPĆA METODOLOGIJA RESPIROMETRIJE 3.2.1 Osnove respirometrijske metodologije 3.2.2 Općeniti principi: više od samo kisika 3.2.2.1 Principi na temelju mjerenja u tekućoj fazi 3.2.2.2 Principi na temelju mjerenja u plinskoj fazi 3.3 OPREMA 3.3.1 Oprema za anaerobnu respirometriju 3.3.1.1 Sastav bioplina 3.3.1.2 Mjerenje protoka plina 3.3.2 Oprema za aerobnu i anoksičnu respirometriju 3.3.2.1 Reaktor 3.3.2.2 Mjerni sustav 3.3.2.3 Primjena u praksi 3.4 KARAKTERIZACIJA OTPADNE VODE 3.4.1 Potencijal proizvodnje metana (BMP) 3.4.1.1 Svrha 3.4.1.2 Općenito
133 134 135 136 136 136 136 138 141 141 141 142 142 143 143 143 150 150 150 150
3.4.1.3 Izvođenje testa 3.4.1.4 Obrada podataka 3.4.1.5 Preporuke 3.4.2 Biokemijska potrošnja kisika (BOD) 3.4.2.1 Svrha 3.4.2.2 Općenito 3.4.2.3 Izvođenje testa 3.4.3 Kratkotrajna biokemijska potrošnja kisika (BODst) 3.4.3.1 Izvođenje testa 3.4.3.2 Izračuni 3.4.4 Toksičnosti i inhibicija 3.4.4.1 Svrha 3.4.4.2 Izvođenje testa 3.4.4.3 Izračuni 3.4.4.4 Biološki razgradive toksične tvari 3.4.5 Frakcioniranje otpadne vode 3.4.5.1 Biološki lako razgradivi supstrat (SB) 3.4.5.2 Biološki sporo razgradivi supstrat (XCB) 3.4.5.3 Heterotrofna biomasa (XOHO) 3.4.5.4 Autotrofna (nitrificirajuća) biomasa (XANO) 3.4.5.5 Amonij (SNHx) 3.4.5.6 Frakcije organskog dušika (XCB,N i SB,N) 3.5 KARAKTERIZACIJA BIOMASE 3.5.1 Volatilne suspendirane krutine 3.5.2 Specifična metanogena aktivnost (SMA) 3.5.2.1 Svrha 3.5.2.2 Općenito 3.5.2.3 Izvođenje testa 3.5.2.4 Obrada podataka 3.5.3 Specifična aerobna i anoksična aktivnost biomase 3.5.3.1 Maksimalna specifična brzina nitrifikacije (AUR) 3.5.3.2 Maksimalna specifična brzina aerobne heterotrofne respiracije (OUR) 3.5.3.3 Maksimalna specifična brzina denitrifikacije (NUR)
150 151 151 152 152 152 152 156 157 159 159 159 160 160 162 162 165 166 167 167 167 167 168 168 168 168 168 168 169 170 170 172 172
4. TESTOVI EMISIJE IZLAZNIH PLINOVA
177
Kartik Chandran, Eveline I.P. Volcke, Mark C.M. van Loosdrecht (aut.) Peter A. Vanrollegem i Sylvie Guillot (rec.) 4.1 UVOD 4.2 ODABIR STRATEGIJE UZORKOVANJA 4.2.1 Rad UPOV-a 4.2.2 Sezonske varijacije u emisijama 4.2.3 Cilj uzorkovanja 4.3 OCJENA UREĐAJA I PRIKUPLJANJE PODATAKA 4.3.1 Priprema kampanje uzorkovanja 4.3.2 Identificiranje uzoraka i obrazac za upis podataka 4.3.3 Faktori koji mogu ograničiti valjanost rezultata 4.3.4 Praktični savjeti za analitička mjerenja 4.3.5 Opća metodologija uzorkovanja 4.3.6 Uzorkovanje u okviru mjerenja izlaznih plinova 4.3.7 Protokol testiranja i mjerenja 4.4 MJERENJA EMISIJA 4.5 MJERENJE N2O U OTVORENIM SPREMNICIMA 4.5.1 Protokol za mjerenje površinskog protoka N2O 4.5.1.1 Oprema, materijali i potrepštine 4.5.1.2 Eksperimentalna procedura 4.5.1.3 Metode uzorkovanja za emisije dušičnih GHG 4.5.1.4 Izravno mjerenje sadržaja N2O u tekućoj fazi 4.6 MJERENJE PROTOKA IZLAZNOG PLINA U OTVORENIM SPREMNICIMA 4.6.1 Protokol za aeriranu ili aerobnu zonu 4.6.2 Protokol za neaerirane zone
177 178 178 178 179 179 179 180 181 181 182 183 185 185 186 188 188 188 190 191 191 192 192
4.7 ODREĐIVANJE KONCENTRACIJE N2O i CH4 U VODI 4.7.1 Protokol za mjerenje otopljenog N2O pomoću polarografskih elektroda 4.7.1.1 Oprema 4.7.1.2 Eksperimentalna procedura 4.7.2 Protokol za mjerenje otopljenih plinova pomoću plinske kromatografije 4.7.3 Protokol za mjerenje otopljenih plinova isoljavanjem 4.7.3.1 Oprema 4.7.3.2 Procedura uzorkovanja 4.7.3.3 Procedura mjerenja 4.7.3.4 Izračuni 4.7.4 Protokol za mjerenje otopljenih plinova metodom otplinjavanja 4.7.4.1 Princip rada 4.7.4.2 Oprema 4.7.4.3 Kalibracijski šaržni test 4.7.4.4 Točnost mjerenja 4.7.4.5 Izračun brzine nastajanja N2O u napravi za otplinjavanje 4.8 ANALIZA I OBRADA PODATAKA 4.8.1 Određivanje protoka 4.8.2 Određivanje objedinjenih frakcija emisija 4.8.3 Izračun faktora emisije
193
194 194 195 195 195 196 196 196 197 198 198 199 199 199 199 200
5. OBRADA PODATAKA I PROCJENA PARAMETARA
201
193 193 193
Gürkan Sin i Krist V. Gernaey (aut.) Sebastiaan C.F. Meijer i Juan A. Baeza (rec.) 5.1 UVOD 5.2 TEORIJA I METODE 5.2.1 Obrada i validacija podataka 5.2.1.1 Sustavna analiza podataka za biološke procese 5.2.1.2 Analiza stupnja redukcije 5.2.1.3 Provjera konzistentnosti eksperimentalnih podataka 5.2.2 Procjena parametara 5.2.2.1 Metoda ručnog pokušaja i pogreške 5.2.2.2 Formalne statističke metode 5.2.3 Analiza nesigurnosti 5.2.3.1 Linearna propagacija pogreške 5.2.3.2 Metoda Monte Carlo 5.2.4 Lokalna analiza osjetljivosti i analiza raspoznatljivosti 5.2.4.1 Lokalna analiza osjetljivosti 5.2.4.2 Analiza raspoznatljivosti pomoću indeksa kolinearnosti 5.3 METODOLOGIJA I TIJEK RADA 5.3.1 Provjera konzistentnosti podataka pomoću elementarne bilance i analize stupnja redukcije 5.3.2 Tijek procjene parametara za nelinearnu metodu najmanjih kvadrata 5.3.3 Tijek procjene parametara za metodu bootstrap 5.3.4 Tijek analize lokalne osjetljivosti i analize raspoznatljivosti 5.3.5 Analiza nesigurnosti pomoću metode Monte Carlo i linearne propagacije pogreške 5.4 DODATNI PRIMJERI 5.5 DODATNA RAZMATRANJA
201 202 202 202 203 204 205 205 205 209 209 209 210 210 211 211
213 214 233
6. TESTOVI TALOŽENJA
235
211 212 212 213
Elena Torfs, Ingmar Nopens, Mari K.H. Winkler, Peter A. Vanrolleghem, Sophie Balemans i Ilse Y. Smets (aut.) Glenn T. Daigger i Imre Takács (rec.) 6.1 UVOD 6.2 MJERENJE TALOŽIVOSTI MULJA U SEKUNDARNIM TALOŽNICAMA 6.2.1 Parametri taloživosti mulja 6.2.1.1 Svrha i primjena 6.2.1.2 Oprema
235 236 237 237 237
6.2.1.3 Indeks mulja (SVI) 6.2.1.4 Indeks razrijeđenog mulja (DSVI) 6.2.1.5 Specifičan indeks miješanog mulja (SSVI3.5) 6.2.2 Krivulja šaržnog taloženja i brzina ometanog taloženja 6.2.2.1 Svrha i primjena 6.2.2.2 Oprema 6.2.2.3 Eksperimentalna procedura 6.2.2.4 Tumačenje krivulje šaržnog taloženja 6.2.2.5 Mjerenje brzine ometanog taloženja 6.2.3 Odnos vhs-X 6.2.3.1 Svrha i primjena 6.2.3.2 Oprema 6.2.3.3 Eksperimentalna procedura 6.2.3.4 Određivanje parametara zonskog taloženja 6.2.3.5 Kalibracija empirijskim jednadžbama utemeljenima na parametrima taloživosti mulja 6.2.4 Preporuke za izvođenje testova šaržnog taloženja 6.2.4.1 Oblik i veličina šaržnog spremnika 6.2.4.2 Rukovanje i transport uzoraka 6.2.4.3 Raspon koncentracije 6.2.4.4 Učestalost mjerenja 6.2.5 Noviji napredak u šaržnim testovima taloženja 6.3 MJERENJE STANJA FLOKULACIJE AKTIVNOG MULJA 6.3.1 DSS/FSS test 6.3.1.1 Svrha i primjena 6.3.1.2 Oprema 6.3.1.3 DSS test 6.3.1.4 FSS test 6.3.1.5 Tumačenje DSS/FSS testa 6.3.2 Preporuke 6.3.2.1 Uvjeti flokulacije 6.3.2.2 Utjecaj temperature 6.3.2.3 Uzorkovanje supernatanta 6.3.3 Napredak u mjerenju stanja flokulacije 6.4 MJERENJE TALOŽENJA GRANULARNOG MULJA 6.4.1 Svrha i primjena 6.4.2 Oprema 6.4.3 Mjerenja gustoće 6.4.4 Određivanje veličine granularne biomase 6.4.4.1 Prosijavanje 6.4.4.2 Analizator slika 6.4.5 Izračun brzine taloženja granula 6.4.6 Preporuke 6.4.6.1 Validacija rezultata 6.4.6.2 Primjena za flokulirani mulj 6.5 MJERENJE DISTRIBUCIJE BRZINE TALOŽENJA U PRIMARNIM TALOŽNICAMA 6.5.1 Uvod 6.5.2 Općeniti princip 6.5.3 Prikupljanje i čuvanje uzorka 6.5.4 Oprema 6.5.5 Analitički protokol 6.5.6 Izračuni i predstavljanje rezultata 6.5.6.1 Provjera masene bilance 6.5.6.2 Izračun distribucije brzine taloženja 6.5.6.3 Preporuke
7. MIKROSKOPIJA
237 237 238 238 238 239 239 240 241 241 241 242 242 243 244 245 245 245 245 245 245 246 246 246 246 246 247 248 249 249 249 249 250 250 250 251 251 252 252 253 253 254 254 254 255 255 255 256 256 257 258 258 258 259 263
Jeppe L. Nielsen, Robert J. Seviour i Per H. Nielsen (aut.) Jiři Wanner (rec.) 7.1 UVOD 7.2 SVJETLOSNI MIKROSKOP
263 263
7.2.1 Standardne primjene svjetlosne mikroskopije 7.2.2 Objektiv malog povećanja 7.2.3 Objektiv velikog povećanja 7.2.4 Imerzijski objektiv 7.2.5 Važna razmatranja 7.2.6 Svijetlo i tamno vidno polje 7.2.7 Fluorescencijska mikroskopija 7.2.8. Konfokalna laserska pretražna mikroskopija 7.3 MORFOLOŠKA ISTRAŽIVANJA 7.3.1 Mikroskopska identifikacija nitastih mikroorganizama 7.3.2 Identifikacija praživotinja i mnogostaničnih životinja 7.4 PROUČAVANJE UZORAKA AKTIVNOG MULJA POD MIKROSKOPOM 7.4.1 Preparacija uzorka aktivnog mulja 7.4.2 Metoda bojanja po Gramu 7.4.2.1 Reagensi i otopine za bojanje po Gramu 7.4.2.2 Procedura 7.4.3 Metoda bojanja po Neisseru 7.4.3.1 Reagensi i otopine za bojanje po Neisseru 7.4.3.2 Procedura 7.4.4 Bojanje DAPI-jem 7.4.4.1 Reagensi i otopine za bojanje DAPI-jem 7.4.4.2 Procedura 7.4.5 Bojanje CTC-om 7.4.5.1 Reagensi i otopine za bojanje CTC-om 7.4.5.2 Procedura 7.5 FLUORESCENTNA in situ HIBRIDIZACIJA 7.5.1 Reagensi i otopine za FISH 7.5.2 Procedura 7.6 KOMBINIRANE TEHNIKA BOJANJA 7.6.1 FISH – bojanje DAPI-jem 7.6.1.1 Reagensi i otopine za bojanje DAPI-jem 7.6.1.2 Procedura 7.6.2 FISH – bojanje PHA 7.6.2.1 Reagensi i otopine za bojanje PHA 7.6.2.2 Procedura
265 265 265 265 266 266 267 269 270 270 271 272 272 273 274 274 274 275 275 275 275 276 276 276 276 276 278 278 280 281 281 281 282 282 282
8. MOLEKULARNE METODE
285
Søren M. Karst, Mads Albertsen, Rasmus H. Kirkegaard, Morten S. Dueholm i Per H. Nielsen (aut.) Holger Daims (rec.) 8.1 UVOD 8.2 EKSTRAKCIJA DNA 8.2.1 Opća razmatranja 8.2.2 Uzorkovanje 8.2.3 Ekstrakcija DNA 8.2.3.1 Razgradnja stanice 8.2.3.2 Inhibiranje aktivnosti nukleaza i uklanjanje proteina 8.2.3.3 Pročišćavanje 8.2.3.4 Eluiranje i pohranjivanje 8.2.4 Kvantifikacija i cjelovitost 8.2.5 Optimizirana ekstrakcija DNA iz aktivnog mulja otpadne vode 8.2.5.1 Materijali 8.2.5.2 Ekstrakcija DNA 8.3 KVANTITATIVNI PCR (qPCR) U STVARNOM VREMENU 8.3.1 Opća razmatranja 8.3.2 Materijali 8.3.3 Metode 8.3.4 Obrada podataka 8.3.5 Rezultat i tumačenje podataka 8.3.6 Rješavanje problema 8.3.7 Primjer 8.3.7.1 Uzorci
285 286 286 286 286 286 287 287 287 287 288 288 288 289 289 291 292 294 294 295 295 295
8.3.7.2 Organiziranje qPCR 8.3.7.3 Rezultati 8.4 SEKVENCIRANJE AMPLIKONA 8.4.1 Opća razmatranja 8.4.2 Gen 16S rRNA kao filogenetski genski biljeg 8.4.3 Amplifikacija PCR-om 8.4.3.1 Reakcija PCR 8.4.3.2 Odstupanja kod PCR-a 8.4.3.3 Odabir početnica 8.4.4 Sekvenciranje DNA 8.4.4.1 Platforma sekvenciranja 8.4.4.2 Dubina sekvenciranja 8.4.5 Bioinformatička obrada 8.4.5.1 Dostupni softver 8.4.5.2 Neobrađeni podaci 8.4.5.3 Bodovanje kvalitete i filtriranje 8.4.5.4 Spajanje očitanja uparenih krajeva 8.4.5.5 Grupiranje OTU 8.4.5.6 Otkrivanje i uklanjanje himera 8.4.5.7 Taksonomska klasifikacija 8.4.5.8 Tablica OTU 8.4.6 Analiza podataka 8.4.6.1 Definiranje cilja analize podataka 8.4.6.2 Validacija podataka i kontrola ispravnosti 8.4.6.3 Zajednice ili pojedinačne vrste? 8.4.6.4 Identificiranje glavnih i kratkotrajnih vrsta 8.4.6.5 Istraživačka analiza pomoću multivarijatne statistike 8.4.6.6 Korelacijska analiza 8.4.6.7 Učinak obrada na pojedinačne vrste 8.4.7 Opća opažanja 8.4.7.1 Relativna analiza 8.4.7.2 Odstupanje kod broja kopija 8.4.7.3 Odstupanja kod početnica 8.4.7.4 Standardizacija 8.4.7.5 Utjecaj metode 8.4.8 Protokol: Illumina zbirke V1-3 amplikona 16S rRNA 8.4.8.1 Aparatura 8.4.8.2 Materijali 8.4.8.3 Protokol 8.4.9 Tumačenje i rješavanje problema 8.4.9.1 Kontrola kvalitete i razrjeđivanje DNA uzorka 8.4.9.2 PCR zbirke 8.4.9.3 Čišćenje zbirke 8.4.9.4 Kontrola kvalitete zbirke 8.4.9.5 Objedinjavanje zbirki 8.4.9.6 Kontrola kvalitete i razrjeđivanje fonda 8.4.9.7 Pohranjivanje 8.4.10 Protokol: Illumina V1-3 16S sekvenciranje amplikona 8.4.10.1 Aparatura 8.4.10.2 Reagensi 8.4.10.3 Protokol 8.4.10.4 Tumačenje i rješavanje problema 8.4.11 Dizajn Illumina 16S adaptera za sekvenciranje amplikona 8.5 OSTALE METODE
296 296 297 297 297 299 299 300 300 300 300 301 301 301 302 302 302 303 303 303 304 304 304 304 305 306 306 306 306 307 307 307 307 307 307 307 307 308 308 311 311 312 312 313 313 313 313 313 314 314 314 315 317 318
POPIS SIMBOLA I KRATICA
325
O knjizi i online tečaju U zadnjih dvadesetak godina, znanje i razumijevanje obrade otpadnih voda je snažno napredovalo i odmaknulo se od empirijskih pristupa pristupu koji objedinjuje kemiju, mikrobiologiju i fizički i bioprocesni inženjering, što često uključuje eksperimentalni laboratorijski rad i tehnike. Mnoge od tih eksperimentalnih metoda i tehnika su sazrele do takvog stupnja da su prihvaćene kao pouzdani alati u istraživanju i praksi obrade otpadnih voda. Za stručnjake u tom sektoru, naročito novu generaciju mladih znanstvenika i inženjera koji tek stupaju u struku obrade otpadnih voda, količina, složenost i raznolikost ovih novih dostignuća mogu biti golemi, naročito u zemljama u razvoju gdje nisu lako dostupni napredni laboratorijski tečajevi o obradi otpadnih voda. Osim toga, informacije o inovativnim eksperimentalnim metodama su razbacane kroz znanstvenu literaturu i tek su djelomično dostupne u obliku udžbenika ili uputa. Ovom se knjigom ti nedostaci nastoje prevladati. U knjizi su okupljene i objedinjene inovativne eksperimentalne metode koje su razvile istraživačke skupine i praktičari širom svijeta i koje se naveliko koriste u istraživanju i praksi obrade otpadnih voda. Knjiga Eksperimentalne metode u obradi otpadnih voda je dio internetskog programa obuke iz sanitarne hidrotehnike pri UNESCO-IHE te se, kao takva, može koristiti zajedno s video zapisima metoda i pristupa koje izvode i o kojima pripovijedaju autori, uključujući upute o najboljoj eksperimentalnoj praksi. Knjiga je napisana za studente dodiplomskog i postdiplomskog studija, istraživače, laboratorijsko osoblje, upravitelje uređaja, konzultante i ostale stručnjake u predmetnom sektoru. Ideja o izradi ove knjige i online obrazovnog tečaja rođena je 2009. godine kad je UNESCO-IHE pristao iskoristiti dio programskih sredstava koje je osiguralo nizozemsko Ministarstvo vanjskih poslova za razvoj inovativnih obrazovnih metoda i proizvoda. Međutim, originalna se ideja mogla provesti u djelo tek 2011. godine, kada su dobivena dodatna financijska sredstva iz Zaklade Billa i Melinde Gates (BMGF). Idejni okvir za knjigu i online tečaj čiji je ona dio je usuglašen u Montrealu tijekom IWA-inog Svjetskog kongresa i izložbe o vodi u rujnu 2010., a dodatno je razrađen tijekom skupa IWA-e u Essenu pod naslovom Aktivni mulj – 100 godina i više. Tom je prigodom ujedno predstavljena i ideja o uglednim recenzentima na ovom polju koji bi dali kritički osvrt na rukopis i unaprijedili kvalitetu krajnjeg proizvoda, pored uvažene skupine stručnjaka koji pišu poglavlja knjige. Osim pisanja poglavlja knjige, od autora se tražilo da izrade prezentacijske slajdove
i vježbe i da napišu scenarije i pripovijedanje za snimljena predavanja i izvođenje eksperimentalnih postupaka u laboratorijima UNESCO-IHE i njegovih partnera. Ti su materijali sakupljeni u digitalni paket dostupan onima koji su registrirani za online tečaj. IWA Publishing je pristao objaviti knjigu i na tržište staviti knjigu i online edukativni tečaj. Također je dogovoreno da su digitalni materijali knjige i online tečaja dostupni besplatno. Online tečaj se održava jednom ili dvaput godišnje ovisno o potražnji (posjetite mrežnu stranicu UNESCO-IHE radi daljnjih informacija o tome kako se priključiti tečaju ili preuzeti materijale). Knjiga se također koristi za poduku kao dio serije predavanja iz Sanitarne hidrotehnike magistarskog programa UNESCO-IHE Urbana opskrba vodom i odvodnja. Zamišljena je tako da se može koristiti kao samostalan priručnik ili kao sastavni dio online edukativnog tečaja. Određeni broj pojedinaca zaslužuje da ih se istakne budući da je njihova potpora bila ključna u ovom poslu i iznimno se cijeni: dr. Roshan Shrestha, dr. Doulaye Koné, dr. Frank Rijsberman i dr. Brian Arbogast (BMGF) te dr. Wim Duven i Jetze Heun (UNESCO-IHE). Knjigu su uredili Peter Stroo, Hans Emeis, Claire Taylor, Michelle Jones i Maggie Smith. Zasluge za sadržaj idu svim autorima, recenzentima i entuzijastičnoj skupini urednika. Zahvaljujem i suradnicima koji su dopustili da se njihovi podaci, slike i fotografije koriste u ovoj knjizi i tečaju. Na kraju, nadam se da će vam ova knjiga i materijali za obuku biti korisni u vašem istraživanju ili praktičnom radu na uređajima za pročišćavanje otpadne vode.
Prof. dr. Damir Brdjanovic Profesor sanitarne hidrotehnike
1 UVOD Autori:
Mark C.M. van Loosdrecht Per H. Nielsen Carlos M. Lopez-Vazquez Damir Brdjanovic
Obrada otpadnih voda predstavlja ključnu kariku u uslugama koje sektor opskrbe vodom i odvodnje pruža društvu. Opskrba vodom i odvodnja se stoljećima sastojala od transporta svježe, čiste vode do gradova i korištenja te vode za transport otpada iz grada i njegovo ispuštanje u prirodni okoliš. Međutim, s porastom broja stanovnika u gradovima kao posljedicom industrijske revolucije u 19. stoljeću, takva praksa se više nije mogla održati. Pojava epidemija potaknula je razvoj postrojenja za obradu otpadnih voda i njihovu izvedbu od ranog 20. stoljeća. Taj je razvoj u velikoj mjeri bio empirijska djelatnost, a teoretski pristupi su uslijedili nakon eksperimentalnih opažanja (slika 1.1).
Slika 1.1 Noyes na kampusu Sveučilišta Illinois u Urbani je možda bio najvažniji u promicanju istraživanja na području otpadnih voda početkom 20. stoljeća (fotografija: Sveučilište Illinois, 1902.).
Ključno je bilo otkriće i razvoj tehnologije aktivnog mulja (detaljno opisano u Jenkins i Wanner, 2014.), budući da je ono pokrenulo brz razvoj i primjenu različitih analitičkih i eksperimentalnih metoda. Eksperimentalni rad u Eksperimentalnom laboratoriju Lawrence u Massachusettsu u SAD-u, koji je u to doba (1912.) bio jedinstven prostor za eksperimentalnu verifikaciju različitih mogućih postupaka aeracije otpadnih voda, potaknuo je Gilberta Fowlera da zamoli Edwarda Arderna i Williama Locketta da eksperimente s aeracijom otpadnih voda kojima je svjedočio u SAD-u ponove u Ujedinjenom Kraljevstvu. Lockett i Ardern su 1913. i 1914. proveli laboratorijske eksperimente u uređaju za obradu otpadnih voda Manchester Davyhulme (slika 1.2). Staklene boce su predstavljale laboratorijske aeracijske bazene ‘napajane’ otpadnom vodom iz različitih četvrti Manchestera. Za razliku od eksperimenata kojima je Fowler svjedočio u Massachusettsu, sediment koji je preostao nakon dekantacije u aeracijskim ispitivanjima u Manchesteru je ostavljen u boci i sedimentu je dodana nova doza otpadne vode za iduću šaržu. Lockett i Ardern su uskoro otkrili da se količina sedimenta povećava kako raste broj šarži. Istodobno se skratilo vrijeme aeracije potrebno za ‘punu oksidaciju’ otpadne vode (puna oksidacija je bio termin koji se koristio za opis uklanjanja razgradivih organskih tvari i za potpunu nitrifikaciju). Korištenjem takve tehnike ponovljene šaržne aeracije pri kojoj sediment ostaje u boci, Lockett i Ardern su mogli skratiti potrebno vrijeme aeracije za ‘punu oksidaciju’ s nekoliko tjedana na manje od jednog dana, što je proces učinilo tehnički
© 2016 Mark C.M. van Loosdrecht et al. Experimental Methods In Wastewater Treatment. Edited by M.C.M. van Loosdrecht, P.H. Nielsen. C.M. Lopez-Vazquez and D. Brdjanovic. ISBN: 9781780404745 (Hardback), ISBN: 9781780404752 (eBook). Published by IWA Publishing, London, UK.
2 izvedivim. Sediment formiran tijekom aeracije otpadne vode nazvan je aktivnim muljem zbog toga kako izgleda i djeluje. Lockett i Ardern su svoje rezultate objavili u čuvenoj seriji od tri rada (Ardern i Lockett 1914a, 1914b, 1915). Bilo je to ‘rođenje’ aktivnog mulja, koji je danas pogonski stroj obrade otpadnih voda i najčešće korištena tehnologija obrade otpadnih voda na svijetu.
EKSPERIMENTALNE METODE U OBRADI OTPADNIH VODA sur., 2012, slika 1.3) je za generacije inženjera sanitarne hidrotehnike bila izvor za analiziranje njihovih eksperimentalnih sustava i operacija u punom mjerilu. Te su metode snažno usmjerene na kemijsku karakterizaciju i mjerenje specifičnih mikroorganizama.
Slika 1.2 Eksperimentalni Laboratorij uređaja za obradu otpadnih voda Davyhulme, gdje je proces aktivnog mulja razvijen početkom 20. stoljeća (fotografija: United Utilities).
Inženjerstvo otpadnih voda je izrazito eksperimentalna struka, zbog čega oduvijek ima potrebu razviti i standardizirati metode. Ovu naočigled jednostavnu aktivnost snažno ometaju dva faktora: (i) inženjerstvo otpadnih voda je tipična interdisciplinarna aktivnost gdje inženjeri kemije, inženjeri građevine, mikrobiolozi i kemičari rade zajedno kako bi razvili i razumjeli procese, pri čemu je izazov objediniti metode i pristupe iz tih disciplina, i (ii) uz to, otpadnu je vodu i procese njezine obrade zbog same njihove prirode teško egzaktno definirati. Na primjer, doslovno je nemoguće izmjeriti sve pojedinačne spojeve u samoj otpadnoj vodi. Dugo vremena nije bilo moguće identificirati sve relevantne mikroorganizme u procesima, a i još uvijek je zamršeno. Gotovo nemoguć zadatak je i definirati sve potencijalne kemijske konverzije zbog bezbroj prisutnih spojeva. Zbog nedefinirane prirode eksperimentalnog sustava, istraživanja sporo napreduju i snažno ovise o standardiziranim metodama koje ne moraju biti egzaktne ali su, kad se koriste na standardiziran način, jako korisne kod usporedbe eksperimentalnih rezultata. Primjer toga su uobičajeno korišteni testovi kemijske ili biološke potrošnje kisika. Legendarna knjiga ‘Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater’ (APHA i
Slika 1.3 Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Prvo izdanje objavljeno je 1905. (slika: APHA i sur., 2012.)
Zahtjevi društva za učinkovitim uređajima za obradu otpadnih voda su uznapredovali, od zaštite javnog zdravlja preko zaštite vodnih resursa i okoliša do današnje cjelovite oporabe resursa i energije. Zbog toga je zadnjih desetljeća porasla potreba za točnim karakteriziranjem mikrobnih procesa u procesima obrade otpadne vode. Nesumnjivo, izazov je razviti standardizirane metode za eksperimentalni rad koje se lako mogu ponoviti u različitim laboratorijima. U mnogim slučajevima, važno je točno postupanje, ali to nije lako zapisati u praktičnom protokolu. Stoga, kako bi se ti problemi izbjegli, odlučeno je da će se izraditi, ne samo knjiga u kojoj će se opisati sve eksperimentalne metode, već i katalog video materijala u kojemu će se u laboratoriju stvarno demonstrirati metode opisane u ovoj knjizi. Svrha ove knjige i s njome
UVOD povezanog video materijala je poduprijeti istraživanje i razvoj priručnikom za karakteriziranje bioloških procesa u obradi otpadne vode. Urednici su odlučili da će se u ovom prvom izdanju knjige ‘Eksperimentalne metode u obradi otpadnih voda’ usredotočiti na proces aktivnog mulja budući da je to nadaleko najčešće korištena tehnologija širom svijeta. Ipak, većina metoda predstavljenih u ovoj knjizi može se primijeniti i na tehnologije koje se temelje na biofilmu ili na procese anaerobne digestije. Odluka o fokusu na eksperimentalnim metodama povezanima s procesom aktivnog mulja dovela je do sedam poglavlja koja opisuju glavne eksperimentalne metode. Sadržaj i fokus tih poglavlja sažeto su prikazani u tablici 1.1. Aktivni se mulj sastoji od bezbroj mikroorganizama koji razgrađuju niz važnih spojeva (organska tvar, spojevi kisika, dušika i fosfata). Prva tri poglavlja bave se karakteriziranjem mikrobnih zajednica sa stanovišta kapaciteta razgradnje glavnih mikrobnih procesa. Napravljena je razlika između metoda koje se baziraju na praćenju tekuće faze i metoda gdje se razgradnja karakterizira mjerenjem respiracije organizama, obično mjerenjima u plinovitoj fazi. Zbog sve većeg stavljanja u fokus te interesa za ocjenu utjecaja uređaja za obradu otpadnih voda na okoliš, dodano je zasebno poglavlje o mjerenju emisija stakleničkih plinova iz uređaja za obradu otpadnih voda. Nakon tih poglavlja slijedi poglavlje u kojemu se opisuju tehnike postupanja s podacima. Mjerenja se često, posebno iz uređaja u redovnom ili probnom radu, odlikuju relativno velikim nesigurnostima. Uz odgovarajuće tehnike postupanja s podacima mjerenja se mogu koristiti za izvođenje pridruženih (teško izravno izmjerivih) podataka o procesu ili za svođenje nesigurnosti na minimum. Procesi s aktivnim muljem većinom ovise o taloženju mulja u obliku flokula radi odvajanja biomase od pročišćene otpadne vode. To je često Ahilova peta procesa obrade i ključan faktor u oblikovanju procesa. Zbog toga je jedno poglavlje posvećeno karakterizaciji svojstava taloženja mulja. Kao što je već spomenuto, mikroorganizmi su pogonski stroj u procesu aktivnog mulja. Zbog toga je mikroskop neizbježno glavna tehnika za njihovo izravno promatranje, ne samo za pojedinačne organizme, već i za morfologiju flokula povezanih s karakteristikama taloženja. Dugo je vremena mikroskop bio glavna birana
3 metoda pri promatranju bakterija prisutnih u aktivnom mulju. Međutim, premda je izrazito koristan, mikroskop ne može pokazati svu složenost mikrobne zajednice. Napredak u molekularnim tehnikama utemeljenima na DNA ostvaren u zadnjem desetljeću je revolucionarizirao način na koji se mogu promatrati mikroorganizmi. Te generičke nove metode opisane su u zadnjem poglavlju ove knjige. U navedenim su poglavljima autori nastojali naročito opisati one metode koje su eksperimentalno složene, a ne standardne analitičke postupke. Zbog toga nisu detaljno opisane standardne analitičke metode za npr. organsku tvar, amonij, fosfat itd. S druge strane, odlučeno je da će se uključiti neke nedavno razvijene i/ili dorađene analitičke tehnike koje se sve češće koriste, ali koje su raspršene u znanstvenoj literaturi (npr. određivanje glikogena i polihidroksialkanoata). Uz to, tekst ne uključuje pojedinosti o metodama koje bi mogle biti od akademskog interesa, ali koje trenutno imaju ograničenu primjenu u praksi. Po pitanju simbola i oznaka, nastojalo se standardizirati ih u najvećoj mogućoj mjeri. I dok je to postignuto na razini poglavlja, nije bila moguća potpuna standardizacija među svim poglavljima, zbog njihove različite naravi i heterogenosti elemenata, kao i zbog manjka općeg dogovora o korištenju simbola i oznaka, premda su prilično pomno praćene najčešće smjernice (npr. Corominas i sur., 2010). Knjiga je zamišljena tako da zadovolji korisnike s velikim zahtjevima koji su sposobni baratati složenom analitičkom i eksperimentalnom opremom. Međutim, sadržaj je jednako tako primjeren zahtjevima manje naprednih laboratorija i manje iskusnih eksperimentatora. Konkretno, dodatni slobodno dostupni video materijali bave se izvođenjem eksperimenata u zahtjevnijim sredinama, poput onih koje prevladavaju u većini manje razvijenih zemalja.
„Mjeriti je znati.“ Lord Kelvin
4
EKSPERIMENTALNE METODE U OBRADI OTPADNIH VODA
Tablica 1.1 Pojednostavljen prikaz u knjizi predstavljenih eksperimentalnih metoda prema procesu. Proces Uvod
Uklanjanje organske tvari
Nitrifikacija
Prikaz i opravdanje za eksperimentalne metode
Denitrifikacija
Anaerobna oksidacija amonija EBPR
Anaerobna obrada
Testovi aktivnosti aktivnog mulja
Respirometrija
Biokemijska potrošnja kisika (BPK) Kratkotrajna biokemijska potrošnja kisika Određivanje karakteristika i Kinetika sastavnica otpadne vode Određivanje karakteristika biomase Toksičnosti i inhibicija Određivanje karakteristika i sastavnica otpadne vode Određivanje Aktivnost AOO i NOO karakteristika Kinetika biomase Stehiometrija Aktivnost AOO i NOO Toksičnosti i inhibicija K inetika Stehiometrija Denitrifikacija Denitrifikacija NO2 i NO3 NO2 i NO3 Denitrifikacija Toksičnosti i na RBCOD i inhibicija SBCOD Stehiometrija Stehiometrija Kinetika Kinetika Aktivnost AMX Kinetika Stehiometrija Aktivnost AAO, GAO i Aerobna kinetika i DPAO stehiometrija Kinetika Toksičnosti i inhibicija Stehiometrija Specifična metanogena aktivnost Aktivnost SRB P otencijal Kinetika biometana Stehiometrija Toksičnosti i inhibicija K inetika Stehiometrija
Poglavlje Testovi emisije Obrada izlaznih plinova podataka i procjena parametara
Metode uzorkovanja za emisije stakleničkih plinova Metode za mjerenje izlaznih plinova M etode određivanja vodene koncentracije N2O i CH4 Metode mjerenja plina u otvorenim bazenima
Testovi taloženja Mikroskopija
Distribucije brzine taloženja podacima i u primarnim njihova taložnicama validacija Taloživost mulja Procjena u sekundarnim parametara taložnicama Analiza Svojstva nesigurnosti Analiza lokalne Pflokulacije onašanje osjetljivosti i granularnog analiza mulja pri mogućnosti taloženju identifikacije Postupanje s
Molekularne metode
Svjetlosna mikroskopija
Konfokalna mikroskopija Ekstrakcija DNA Morfološka Kvantitativna PCR istraživanja u stvarnom vremenu Tehnike bojenja Fluorescencijska in Sekvenciranje situ amplikona hibridizacija (FISH) Kombinirane tehnike bojenja
Taloženje AMX Organizmi za anaerobnu oksidaciju amonija AOO Organizmi koji oksidiraju amonij CH4 Metan DNK Deoksiribonukleinska kiselina DPAO Denitrificirajući organizmi koji akumuliraju polifosfat EBPR Napredno biološko uklanjanje fosfora FISH Fluorescentna in situ hibridizacija GAO Organizmi koji akumuliraju glikogen GHG Emisije stakleničkih plinova
N2O Dušikov oksid NO2 Nitrit NO3 Nitrat NOO Organizmi koji oksidiraju nitrit PAO Organizmi koji akumuliraju polifosfat PCR Lančana reakcija polimerazom RBCOD Brzo biorazgradiv COD poznat i kao brzo biorazgradive organske tvari SBCOD Sporo biorazgradiv COD poznat i kao sporo biorazgradive organske tvari SRB Bakterije koje reduciraju sulfate ili SRO Organizmi koji reduciraju sulfate
UVOD
5
Slika 1.4 UNESCO-IHE pridonosi edukaciji i obuci stručnjaka, proširuje bazu znanja kroz istraživanja i ojačava kapacitet sektorskih organizacija, centara znanja i ostalih institucija aktivnih na području vode, okoliša i infrastrukture u zemljama u razvoju i zemljama u tranziciji. Fotografije pokazuju primjer najnovijeg projekta IHE na Kubi, gdje je laboratorij Istraživačkog instituta za prehrambenu industriju (Instituto de Investigaciones para la Industria Alimenticia, IIIA) u Havani opremljen novom suvremenom tehnologijom i gdje je lokalno osoblje prošlo obuku o tome kako se služiti opremom te uspješno provesti eksperimentalni rad (fotografija: Brđanović, 2015.).
Reference American Public Health Association (APHA), American Water Works Association (AWWA), and Water Environment Federation (WEF) (2012). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 22nd Edition. New York. ISBN 9780875530130. Ardern, E., Lockett, W.T. (1914a) Experiments on the Oxidation of Sewage without the Aid of Filters. J. Soc. Chem. Ind., 33: 523. Ardern, E., Lockett, W.T. (1914b) Experiments on the Oxidation of Sewage without the Aid of Filters, Part II. J. Soc. Chem. Ind., 33: 1122. Ardern, E., Lockett, W.T. (1915) Experiments on the Oxidation of Sewage without the Aid of Filters, Part III. J. Soc. Chem. Ind., 34: 937.
Corominas, L.L., Rieger, L., Takács, I., Ekama, A.G., Hauduc, H., Vanrolleghem, P.A., Oehmen, A., Gernaey, K.V., van Loosdrecht, M.C.M., Comeau Y. (2010). New framework for standardized notation in wastewater treatment modelling. Water Sci Technol. 61(4): 841-57. Jenkins, D. and Wanner, J. Eds. (2014) 100 years of activated sludge and counting. IWA Publishing, London, ISBN 9781780404936, pg. 464. Dio o razvoju aktivnog mulja kroz povijest predstavljen u ovom poglavlju prilagođen je iz Jenkins i Wanner (2014).