Post on 24-Jul-2015
transcript
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.
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.
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
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
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
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
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.
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
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.
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.
12 BIOTEHNOLOGIILE – O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA APELOR UZATE
Biotehnologii pentru protectia mediului