BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUTIE EFICIENTA PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

12
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! Septembrie 2010 BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA APELOR UZATE Prof.dr.ing. Lăcrămioara Diana Robescu 1 , 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.

description

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.

Transcript of BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUTIE EFICIENTA PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

Page 1: BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUTIE EFICIENTA PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

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!

Septembrie 2010

BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

Prof.dr.ing. Lăcrămioara Diana Robescu

1, Prof.dr.ing.Dan Niculae

Robescu, Prof.dr.ing. Cristina Costache Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti

1 [email protected]

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.

Page 2: BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUTIE EFICIENTA PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

2 BIOTEHNOLOGIILE – O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

Biotehnologii pentru protectia mediului

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.

Page 3: BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUTIE EFICIENTA PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

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!

Septembrie 2010

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

Page 4: BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUTIE EFICIENTA PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

4 BIOTEHNOLOGIILE – O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

Biotehnologii pentru protectia mediului

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

Page 5: BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUTIE EFICIENTA PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

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!

Septembrie 2010

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

Page 6: BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUTIE EFICIENTA PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

6 BIOTEHNOLOGIILE – O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

Biotehnologii pentru protectia mediului

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 fizico-

chimice, 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

Page 7: BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUTIE EFICIENTA PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

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!

Septembrie 2010

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 brun-

verzi 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.

Page 8: BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUTIE EFICIENTA PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

8 BIOTEHNOLOGIILE – O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

Biotehnologii pentru protectia mediului

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

Page 9: BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUTIE EFICIENTA PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

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!

Septembrie 2010

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.

Page 10: BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUTIE EFICIENTA PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

10 BIOTEHNOLOGIILE – O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

Biotehnologii pentru protectia mediului

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.

Page 11: BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUTIE EFICIENTA PENTRU EPURAREA APELOR UZATE
Page 12: BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUTIE EFICIENTA PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

12 BIOTEHNOLOGIILE – O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA APELOR UZATE

Biotehnologii pentru protectia mediului