Termofilna tlenowa biodegradacja ścieków przemysłu spożywczego.pdf

PRACE PRZEGL¥DOWE

Termofilna tlenowa biodegradacja

œcieków przemys³u spo¿ywczego

Ma³gorzata Lasik, Jacek Nowak

Zak³ad Fermentacji i Biosyntezy, Instytut Technologii ¯ywnoœci

Pochodzenia Roœlinnego,

Akademia Rolnicza im. Augusta Cieszkowskiego, Poznañ

Thermophilic aerobic biodegradation of food industry wastewater

Summary

Food industry wastewater is usually characterized by a high biological load

as well as elevated temperature. A new and promising technology for rapid and

effective biodegradation of such hot and high loaded wastewater is thermo-

philic aerobic biodegradation process. It is characterized by higher, in compari-

son with mesophilic processes, substrate degradation, rapid inactivation of pa-

thogenic microorganisms and low production of activated sludge. High bio-

degradation rate shortens the time of the process and reduces the required vol-

ume of bioreactors. Disadvantages of the aerobic thermophilic process are asso-

ciated with costs of aeration of bioreactors, low capabilities of thermophilic

microflora for flocculation, and problems with foaming during fermentation.

Key words:

autothermal thermophilic aerobic biodegradation, food industry

wastewater.

Adres do korespondencji

Ma³gorzata Lasik,

Zak³ad Fermentacji

i Biosyntezy,

Instytut Technologii

¯ywnoœci Pochodzenia

Roœlinnego,

Akademia Rolnicza

im. Augusta

Cieszkowskiego,

ul. Wojska Polskiego 31,

60-624 Poznañ.

1. Wprowadzenie

Przyst¹pienie Polski do wspólnoty krajów Unii Europejskiej

wi¹¿e siê przede wszystkim z dostosowaniem polskiego prawa

do norm i standardów obowi¹zuj¹cych wszystkie kraje cz³on-

kowskie. Ogromn¹ czêœæ z nich stanowi¹ regulacje zwi¹zane

z ochron¹ œrodowiska, którymi bardzo zainteresowany jest prze-

mys³ spo¿ywczy. Decyzj¹ Rady Ministrów, ca³e terytorium Polski

zosta³o uznane za obszar podatny na eutrofizacjê. W œwietle

przepisów unijnych jest to zwi¹zane z obowi¹zkiem wdro¿enia

3 (74) 98–112 2006

Termofilna tlenowa biodegradacja œcieków przemys³u spo¿ywczego

na terenie ca³ego kraju, dla aglomeracji powy¿ej 10 tys. mieszkañców, systemów

oczyszczania œcieków z podwy¿szonym usuwaniem zwi¹zków biogennych. Polska

przygotowa³a „Program wyposa¿enia aglomeracji w systemy kanalizacji zbiorczej

i oczyszczalnie œcieków” oraz „Program wyposa¿enia zak³adów sektora przemys³u

rolno-spo¿ywczego o wielkoœci ponad 4 tys. równowa¿nej liczby mieszkañców w o-

czyszczalnie œcieków”. Realizacja programów, obok organizacji systemów kanaliza-

cji zbiorczej we wszystkich aglomeracjach, obejmuje równie¿ budowê, rozbudowê

i modernizacjê oczyszczalni biologicznych o podwy¿szonym usuwaniu biogenów

(1,2). Polska zg³osi³a potrzebê roz³o¿enia realizacji tego Programu w czasie. Wy-

st¹pienie do Komisji Unii Europejskiej o przyznanie okresów przejœciowych by³o ko-

nieczne ze wzglêdu na szczególnie wysoki koszt wdro¿enia Dyrektywy. Jest on naj-

wy¿szy spoœród kosztów wdro¿enia wszystkich aktów prawnych Unii Europejskiej.

Okres przejœciowy dla realizacji programu obejmuj¹cego oczyszczanie œcieków

w zak³adach przemys³u rolno-spo¿ywczego okreœlono na 8 lat (do 31.12.2010 r.),

dla wszystkich zrzutów œcieków do wód z zak³adów reprezentuj¹cych równowa¿n¹

liczbê mieszkañców powy¿ej 4 tys. (3,4).

Zgodnie z przepisami unijnymi wszystkie zak³ady przemys³owe musz¹ do 2007 r.

uzyskaæ tzw. zintegrowane zezwolenia œrodowiskowe. W miejsce istniej¹cych obec-

nie osobnych zezwoleñ ekologicznych, np. na wielkoœæ produkowanych œcieków,

odpadów czy na emisjê py³ów, wprowadzane bêd¹ zezwolenia zintegrowane, okreœ-

laj¹ce ogólnie dozwolon¹ emisjê zanieczyszczeñ na poziomie, który bêdzie bez-

pieczny dla œrodowiska jako ca³oœci oraz zapobiegnie przemieszczaniu siê zanie-

czyszczeñ pomiêdzy ekosystemami. Zezwolenia œrodowiskowe bêd¹ rozpatrywane

pod k¹tem zgodnoœci technologicznej i produkcyjnej danej instalacji z tzw. najlep-

szymi dostêpnymi technologiami (BAT, Best Available Technology). Zaakceptowane

i dopuszczone bêd¹ tylko te technologie, które najefektywniej zredukuj¹ i uniesz-

kodliwi¹ zanieczyszczenia (5). Istnieje zatem potrzeba opracowywania coraz lep-

szych, efektywniejszych i op³acalnych technologii utylizacji œcieków przemys³o-

wych, tak by spe³nia³y, obowi¹zuj¹ce od 1.01.2003 r., wymagania Ministerstwa Œro-

dowiska dotycz¹ce jakoœci œcieków wprowadzanych do wód lub do ziemi oraz sub-

stancji szczególnie szkodliwych dla œrodowiska wodnego (6).

Jedn¹ z bardzo obiecuj¹cych technologii oczyszczania œcieków przemys³owych

jest termofilna tlenowa biodegradacja. Metoda stosowana jest g³ównie do oczysz-

czania mocno obci¹¿onych œcieków, wymagaj¹cych oprócz dynamicznej biodegra-

dacji równie¿ stabilizacji i higienizacji. Technologia ta, jak siê wydaje, jest szczegól-

nie odpowiednia dla biodegradacji œcieków przemys³u spo¿ywczego, które charak-

teryzuj¹ siê wysokim ³adunkiem zanieczyszczeñ zarówno biogennych jak i mikro-

biologicznych.

BIOTECHNOLOGIA 3 (74) 98-112 2006

Ma³gorzata Lasik, Jacek Nowak

2. Charakterystyka termofilnych tlenowych procesów oczyszczania

œcieków

2.1. Bilans energetyczny procesu

G³ównym celem podjêcia badañ nad zastosowaniem termofilnych systemów

oczyszczania œcieków by³o przyspieszenie reakcji degradacji zwi¹zków organicz-

nych (7-10). Wysokie nak³ady energetyczne, potrzebne dla utrzymania podwy¿szo-

nych temperatur procesu termofilnego oraz koniecznoœæ intensywnego napowie-

trzania pod³o¿a dla zapewnienia warunków tlenowych, by³y, jak siê wydawa³o, pod-

stawowym ograniczeniem dla zastosowania termofilnego tlenowego procesu

oczyszczania œcieków. Zauwa¿ono jednak, ¿e energia wydzielana w wyniku tleno-

wych metabolicznych przemian mikroorganizmów wystarcza do utrzymywania pod-

wy¿szonych temperatur procesu bez dodatkowego, zewnêtrznego ogrzewania uk³a-

du (11,12). Wolna energia, uwalniana do œrodowiska w postaci ciep³a, wynika z ró¿-

nicy pomiêdzy energi¹ pozyskan¹ przez drobnoustroje, podczas katabolicznych

przemian zwi¹zków organicznych zawartych w œciekach, a energi¹ wykorzystan¹ do

utrzymania procesów ¿yciowych komórek (8,9,13-17). Stwierdzono, ¿e iloœæ energii

zawartej w wielu powszechnie wystêpuj¹cych zwi¹zkach organicznych wynosi œred-

nio 14,6 kJ/gChZT albo od 33,5 do 50,3 kJ/g wêgla (18). Natomiast skutecznoœæ prze-

kszta³cania ró¿nych zwi¹zków organicznych w energiê, w warunkach tlenowych,

waha siê w zale¿noœci od substratu oraz warunków procesu od 12 do 82% (19). Teo-

retycznie, iloœæ ciep³a jaka jest wydzielana do uk³adu podczas biologicznego utle-

niania, powinna wystarczaæ dla podniesienia i utrzymania temperatury na poziomie

temperatur charakterystycznych dla procesów termofilnych. Jednak w konwencjo-

nalnych systemach napowietrzania wiêkszoœæ ciep³a zostaje wyprowadzona z uk³a-

du wraz z powietrzem wylotowym, najczêœciej w wyniku niew³aœciwej konstrukcji

oraz braku odpowiedniej izolacji bioreaktorów (8,20-22).

2.2. Transfer tlenu

Czynnikiem wp³ywaj¹cym równie istotnie na bilans cieplny procesu biodegrada-

cji jest skutecznoœæ transferu tlenu. Iloœæ tlenu, jaka z ca³kowitej iloœci wprowadzo-

nego do uk³adu zostaje zu¿yta w biologicznych reakcjach utleniania, zale¿y m.in.

od: temperatury, sk³adu pod³o¿a (biomasa, sole, enzymy, surfaktanty), lepkoœci pod-

³o¿a oraz czasu i powierzchni kontaktu gazu z ciecz¹ (17,23,24). Wiadomo, ¿e roz-

puszczalnoœæ tlenu w wodzie zmniejsza siê wraz ze wzrostem temperatury. Jest to

zale¿noœæ liniowa w zakresie temperatur od 20 do 80°C, w których rozpuszczalnoœæ

tlenu obni¿a siê odpowiednio od 9,43 do 2,88 mgO 2 /dm 3 (25,26). Zjawisko to nie

jest korzystne, bior¹c pod uwagê wysokie zapotrzebowanie na tlen termofilnych mi-

100

PRACE PRZEGL¥DOWE

Termofilna tlenowa biodegradacja œcieków przemys³u spo¿ywczego

kroorganizmów tlenowych. Jednak¿e wraz ze wzrostem temperatury zmniejsza siê

lepkoœæ oraz napiêcie powierzchniowe pod³o¿a, a to z kolei przyczynia siê do wzro-

stu rozpuszczalnoœci tlenu. Bior¹c pod uwagê wszystkie parametry procesu, stopieñ

transferu tlenu w warunkach termofilnych mo¿e byæ porównywalny do jego warto-

œci w warunkach mezofilnych (13,27).

Zwiêkszenie skutecznoœci transferu tlenu mo¿liwe jest poprzez zastosowanie

odpowiedniej konstrukcji urz¹dzeñ. Zastosowanie specjalnych systemów napowie-

trzania oraz mieszade³ pozwalaj¹cych na rozbicie pêcherzyków powietrza wprowa-

dzanego do bioreaktora, znacznie zwiêksza powierzchniê kontaktu gazu z ciecz¹

(20-23,28). Istotn¹ rolê w transferze tlenu odgrywa równie¿ wysokoœæ u¿ytych bio-

reaktorów. Proporcjonalnie do wysokoœci s³upa cieczy, wyd³u¿ony zostaje czas kon-

taktu cieczy i mikroorganizmów z pêcherzykami powietrza. Pozwala to na lepsze

wykorzystanie tlenu podczas procesu, o czym œwiadczyæ mo¿e zmniejszanie zawar-

toœci tlenu w powietrzu odlotowym, proporcjonalnie do wysokoœci stosowanych

bioreaktorów (21,23). Do badañ nad ocen¹ mo¿liwoœci biodegradacji œcieków pod-

czas termofilnej obróbki tlenowej wykorzystywano g³ównie bioreaktory z systemem

mieszania i napowietrzania typu STR, stirred tank reactor (15,20,21,29-37). Zastoso-

wanie znalaz³y równie¿ m.in. bioreaktor z wype³nieniem – fixed bed type (38), bio-

reaktor z napowietrzaniem bez systemu mieszania (39), bioreaktor z aeratorem

Venturiego (24,40), bioreaktor z systemem rozpylaj¹cym – cocurrent downflow con-

tractor CDC (23), bioreaktor sekwencyjny – sequencing batch reactor SBR (41) oraz

bioreaktor z biofilmem – bed biofilm reactor (42). Pomimo zastosowania ró¿nych

rozwi¹zañ systemów napowietrzania substratu biodegradowanego w termofilnych

procesach tlenowych, obserwuje siê okresy kiedy iloœæ tlenu dostarczanego do uk³a-

du jest nadal niewystarczaj¹ca. Mikroflora procesu w fazie intensywnego wzrostu

charakteryzuje siê szczególnie wysokim zapotrzebowaniem na tlen. Jest on wtedy

wykorzystywany ca³kowicie co w konsekwencji prowadzi do wytworzenia w biore-

aktorach warunków mikrotlenowych (stê¿enie tlenu rozpuszczonego bliskie zeru).

Zauwa¿ono, ¿e najwy¿sze tempo redukcji ChZT œcieków wystêpuje w³aœnie w czasie

intensywnego przyswajania przez drobnoustroje tlenu z pod³o¿a. Zapewnienie mo¿-

liwie kontrolowanej iloœci tlenu rozpuszczonego w œrodowisku jest czynnikiem

istotnie wp³ywaj¹cym na efektywnoœæ procesu biodegradacji (9,14,24,32-37).

2.3. Zalety i wady procesu wysokotemperaturowej tlenowej biodegradacji

2.3.1. Stabilnoœæ i samoregulacja

Gromadzenie ciep³a w uk³adzie uzale¿nione jest od masy zawartych w nim sub-

stancji organicznych, ulegaj¹cych biologicznemu utlenianiu (43). Temperatura uk³a-

du podwy¿sza siê zatem, wraz ze wzrostem jego biologicznego obci¹¿enia. Zwiêk-

BIOTECHNOLOGIA 3 (74) 98-112 2006

101

Ma³gorzata Lasik, Jacek Nowak

szanie obci¹¿enia œcieków nie powoduje jednak proporcjonalnego wzrostu tempe-

ratury procesu. Nie dzieje siê tak z dwóch powodów. Po pierwsze, staje siê uk³adem

o ograniczonym transferze tlenu, co powoduje zmniejszenie iloœci utlenianych sub-

stancji organicznych i w konsekwencji stabilizacjê temperatury. Po drugie, tempera-

tura ma znacz¹cy wp³yw na liczbê i aktywnoœæ komórek mikroorganizmów bio-

r¹cych udzia³ w procesie. Autotermiczny (samozagrzewalny) termofilny proces tle-

nowy (ATAD, ang. Autothermal Thermophilic Aerobic Digestion ) jest zatem systemem

samoreguluj¹cym. Stwierdzono, ¿e wzrost temperatury powy¿ej 60°C, spowodowa-

ny rosn¹cym obci¹¿eniem uk³adu, hamuje procesy ¿yciowe drobnoustrojów, co

z kolei zmniejsza masê usuwanych zwi¹zków organicznych oraz stabilizuje tempe-

raturê procesu (8,9,12,13,20,21,42,44).

Nale¿y podkreœliæ, ¿e niektóre œcieki przemys³owe charakteryzuj¹ siê wysok¹

temperatur¹, siêgaj¹c¹ nawet 100°C. Œcieki po procesie wydzielania bia³ka z wód

sokowych ziemniaków powstaj¹cych podczas produkcji skrobi, czy œcieki przemys³u

fermentacyjnego – szczególnie pochodz¹ce z browarów oraz gorzelni, musz¹ byæ

ch³odzone przed poddaniem ich oczyszczaniu w warunkach procesów mezofilnych.

Koszty ch³odzenia mo¿na zatem zredukowaæ lub ca³kowicie wyeliminowaæ przepro-

wadzaj¹c proces oczyszczania w warunkach termofilnych (34,35,39,41).

2.3.2. Relatywnie ma³a produkcja biomasy (osadów)

Wysoka stabilnoœæ procesu, zdolnoœæ do jego samoregulacji oraz krótkie czasy

retencji œcieków i zwi¹zane z tym mniejsze objêtoœci bioreaktorów (nawet szeœcio-

krotnie) to jednak nie wszystkie zalety tlenowej termofilnej biodegradacji œcieków.

Podwy¿szona temperatura powoduje równie¿ zmniejszenie biomasy mikroorgani-

zmów syntetyzowanej w pod³o¿u oraz przyczynia siê do inaktywacji mikroflory pa-

togennej (9,14,17,20-22,24,45).

Drobnoustroje termofilne wymagaj¹, dla utrzymania swoich procesów ¿ycio-

wych, wiêkszej iloœci energii ni¿ mikroorganizmy mezofilne. Z ca³kowitej iloœci

energii, powstaj¹cej podczas termofilnego utleniania zwi¹zków organicznych, wiêk-

sza czêœæ zostaje wykorzystana podczas metabolicznych przemian drobnoustrojów,

mniejsza natomiast do wytwarzania nowych komórek. St¹d te¿, procesy zachodz¹ce

w podwy¿szonych temperaturach charakteryzuj¹ siê relatywnie nisk¹ produkcj¹ bio-

masy, w stosunku po procesów mezofilnych (8,16,24,41,43,46-51).

2.3.3. Biomasa o wysokiej wartoœci od¿ywczej, wolna od patogenów

Biomasa mikroorganizmów powstaj¹ca w procesie termofilnym mo¿e byæ boga-

tym Ÿród³em bia³ek i witamin nadaj¹cych siê do wzbogacania pasz. W badaniach do-

tycz¹ce oceny aminokwasowego sk³adu bia³ek komórkowych wykazano, ¿e biomasa

102

PRACE PRZEGL¥DOWE

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: