Doprowadzane do oczyszczalni komunalnych ścieki zawierają zanieczyszczenia, które przechodząc do osadów ściekowych, utrudniają lub wręcz uniemożliwiają ich biochemiczną stabilizację, a także wykorzystanie rolnicze. Do tych zanieczyszczeń zalicza się przede wszystkim metale ciężkie, szczególnie Cd, Zn, Pb, Hg, Cu i Cr, które są pobierane przez drobnoustroje osadu czynnego i kumulują się w ich komórkach w formie związków metaloorganicznych. Wzrastająca ilość osadów ściekowych w kraju, w tym osadów niebezpiecznych, staje się coraz większym problemem. Przykładowo w roku 2007 na terenie Polski wytworzono około 501 tys. Mg suchej masy osadów ściekowych, w tym około 1%, to jest 5 tys. Mg w przeliczeniu na suchą masę, odpadów niebezpiecznych, a w 2015 roku ilość osadów ściekowych może osiągnąć poziom 642 tys. Mg suchej masy. Stale rosną w związku z tym koszty gospodarki osadami ściekowymi i coraz bardziej brakuje miejsca na ich składowanie. Dlatego przepisy prawa ochrony środowiska zmuszają do ich detoksykacji, zmniejszania objętości i masy oraz konieczności zagospodarowania. W krajach Unii Europejskiej od 2005 roku nie można deponować na składowiskach osadów ściekowych zawierających metale ciężkie, a funkcjonujące składowiska muszą być wyposażone w układy monitorowania zawartości jonów metali ciężkich w odciekach wodnych. Niewielka dopuszczalna przepisami prawa zawartość metali ciężkich w osadach ściekowych nie była do tej pory przeszkodą w ich wykorzystywaniu w rolnictwie. Obecnie takie zagospodarowanie wymaga detoksykacji osadów ściekowych z tych zanieczyszczeń, jednak wciąż nie ma powszechnie akceptowanej metody ich utylizacji. Wprawdzie w literaturze przedmiotu opisano wiele chemicznych metod usuwania metali ciężkich z osadów ściekowych, ale są one drogie, charakteryzują się znacznym zużyciem chemikaliów i energii cieplnej. Istnieje zatem pilna potrzeba poszukiwania nowych, tanich i ekologicznie bezpiecznych rozwiązań technologicznych detoksykacji osadów ściekowych z metali ciężkich. Wydaje się, że warunki te spełniają metody mikrobiologiczne. Naprzeciw tym potrzebom wychodzi opisana w niniejszej pracy metoda dwustopniowego, biologicznego procesu usuwania metali ciężkich z osadów ściekowych na przykładzie nadmiernego osadu czynnego. Badania prowadzono w ramach grantu habilitacyjnego nr N52300132/0039/2007: „Wykorzystanie cyklu siarki do usuwania jonów metali ciężkich z osadów”, który realizowano w Zakładzie Ochrony Środowiska Instytutu Włókien Naturalnych i Roślin Zielarskich w Poznaniu i finansowano z budżetu państwa.
WPROWADZENIE 5
1. PRZEGLĄD PIŚMIENNICTWA 6
1.1. Osady ściekowe i ich charakterystyka 6
1.2. Stabilizacja osadów ściekowych 6
1.2.1. Stabilizacja termiczna 6
1.2.2. Stabilizacja chemiczna 8
1.2.3. Stabilizacja biologiczna 9
1.3. Wysoka zawartość metali ciężkich barierą w zagospodarowaniu osadu nadmiernego 11
1.4. Usuwanie metali ciężkich z osadów ściekowych 14
1.5. Metabolizm siarki w komórkach Desulfovibrio desulfuricans 16
1.6. Metabolizm siarki w komórkach Thiobacillus ferrooxidans 18
1.7. Wykorzystanie Thiobacillus ferrooxidans do utleniania siarczków 19
2. CEL PRACY I ZAKRES BADAŃ 24
2.1. Podstawowy i dodatkowy cel badań 24
2.2. Zakres badań 25
3. MATERIAŁY I METODY BADAŃ 26
3.1. Materiał badawczy 26
3.1.1. Nadmierny osad czynny 26
3.1.2. Zawiesiny CdS, CuS i ZnS 27
3.1.3. Materiał biologiczny 28
3.1.3.1. Bakterie Desulfovibrio desulfuricans 28
3.1.3.2. Bakterie Thiobacillus ferrooxidans 28
3.2. Metody badań 29
3.2.1. Usuwanie jonów metali ciężkich z osadu nadmiernego metodą chemiczną 29
3.2.2. Usuwanie jonów metali ciężkich z osadu nadmiernego w obecności rodzimej mikroflory osadu czynnego 29
3.2.3. Precypitacja metali ciężkich w postaci siarczków z osadu nadmiernego w obecności Desulfovibrio desulfuricans 30
3.2.4. Utlenianie precypitatów siarczkowych w obecności Thiobacillus ferrooxidans 30
3.2.5. Biologiczne testy osadu nadmiernego pozbawionego metali ciężkich 31
3.2.6. Utlenianie CdS, CuS i ZnS w obecności Thiobacillus ferrooxidans 32
3.2.7. Chemiczne utlenianie precypitatów siarczkowych 32
3.3. Metody analityczne 33
3.3.1. Oznaczanie aktywności oddechowej Thiobacillus ferrooxidans 33
3.3.2. Oznaczanie zdolności natleniania (OC) urządzenia napowietrzającego reaktor 33
3.3.3. Ustalenie doświadczalnej szybkości reakcji bioutleniania siarczków metali 34
3.3.4. Równania kinetyczne procesu bioutleniania siarczków 35
3.3.5. Szacowanie energii aktywacji oraz współczynnika temperaturowego w procesie utleniania siarczków metali przez Thiobacillus ferrooxidans 35
3.3.6. Oznaczanie wskaźników fizyczno-chemicznych 36
3.3.7. Oznaczanie zawartości metali 36
3.3.8. Oznaczanie zawartości białka 36
3.4. Statystyczne metody oceny wyników badań 37
4. WYNIKI BADAŃ I ICH OMÓWIENIE 38
4.1. Usuwanie jonów metali ciężkich z osadu nadmiernego metodą chemiczną 38
4.2. Usuwanie jonów metali ciężkich z osadu nadmiernego w obecności rodzimej mikroflory (autostabilizacja) 40
4.3. Eliminacja metali ciężkich z osadu nadmiernego w obecności Desulfovibrio desulfuricans 44
4.4. Utlenianie powstałych w procesie biodesulfurykacji osadów siarczkowych w obecności Thiobacillus ferrooxidans 47
4.5. Ocena przydatności nawozowej nadmiernego osadu czynnego pozbawionego metali ciężkich 49
4.6. Kinetyka ekstrakcji jonów metali ciężkich z CdS, CuS i ZnS w obecności Thiobacillus ferrooxidans hodowanych na zmodyfikowanym podłożu 9K 53
4.7. Zdolność natleniania (OC) urządzenia napowietrzającego reaktor 58
5. DYSKUSJA I WNIOSKI 62
LITERATURA 69
-14%