"Biologiczne aspekty oczyszczania ścieków"

Spis treści

Od Autora 14

1. Bakteryjny metabolizm w procesie oczyszczania ścieków w warunkach beztlenowych 16

1.1. Wprowadzenie 16

1.2. Ektoenzymy i egzoenzymy zewnątrzkomórkowe 18

1.3. Fermentacje węglowodanów 19

1.4. Fermentacja białek 21

1.5. Beztlenowa degradacja tłuszczów i lipidów 26

1.6. Metagenomy bakterii fermentujących ścieki 27

1.7. Produkcja metanu 28

Literatura 36

2. Fizykochemiczna charakterystyka ścieków 38

2.1. Wprowadzenie 38

2.2. Charakterystyka fizyczna ścieków 40

2.3. Chemiczna charakterystyka ścieków 41

2.3.1. Związki nieorganiczne 43

2.3.2. Związki organiczne 45

2.4. Priorytetowe zanieczyszczenia 46

2.5. Przykłady ilości produkowanych ścieków 47

2.6. Wody podgrzane 47

2.7. Ścieki radioaktywne 48

2.8. Typy ścieków przemysłowych 51

Literatura 52

3. Wspólnoty mikroorganizmów w biologicznych systemach oczyszczania ścieków 54

3.1. Wprowadzenie 54

3.2. Kłaczki osadu czynnego 55

3.2.1. Bakterie w osadzie czynnym 56

3.2.2. Metagenomy bakterii w osadzie czynnym 57

3.2.3. Analiza funkcjonalna wspólnoty mikroorganizmów osadu czynnego 59

3.2.4. Grupy mikroorganizmów występujące w osadzie czynnym 60

3.2.5. Charakterystyki osadu czynnego 65

3.2.6. Gromadzenie substancji zapasowych w osadach czynnych 66

3.2.7. Analiza metagenomiczna bakterii w beztlenowych osadach w komorach fermentacyjnych (anaerobic sludge digester) 68

3.3. Biofilm 69

3.3.1. Mikroorganizmy błony biologicznej 71

3.3.2. Pierwotniaki w błonie biologicznej 72

3.3.3. Zalety biofilmu 72

3.4. Osady granularne 73

3.3.4. Ograniczenia biofilmu 73

3.4.1. Tlenowe osady granularne 74

3.5. Beztlenowe osady granularne 80

3.5.1. Inoculum do granulacji osadu w UASB 80

3.5.2. Skład granul beztlenowego osadu 81

3.6. Eukaryota w rożnych bioreaktorach w procesie oczyszczania ścieków 82

Literatura 85

4. Bioreaktory powszechnie stosowane w hodowlach mikroorganizmów 88

4.1. Wprowadzenie 88

4.2. Bioreaktory rozproszonego wzrostu mikroorganizmow (zawiesina bakterii i/lub osad czynny sflokulowany) 89

4.2.1. Bioreaktory osadu czynnego (Activated Sludge) 89

4.2.2. Proces ACP 91

4.2.3. Bioreaktory typu CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactor) 92

4.2.4. Bioreaktory typu ALR (Airlift Reactors) 93

4.2.5. Bioreaktory typu SBR (Sequencing Batch Reactor) 94

4.3. Bioreaktory do wzrostu mikroorganizmów w postaci osadu granularnego 96

4.3.1. Bioreaktory typu UASB (Upfl ow Anaerobic Sludge Blanket) 96

4.3.2. Bioreaktory typu EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) 99

4.3.3. Bioreaktory typu SPAC (Spiral Automatic Circulation) 101

4.3.4. Bioreaktory typu SGBR (Static Granular Bed Reactor) 102

4.3.5. Bioreaktory typu ABR (Anaerobic Baff led Reactor) 103

4.4. Bioreaktory stosowane do wzrostu mikroorganizmów na powierzchni fazy stałej w postaci biofilmu 105

4.4.1. Złoża nieruchome 106

4.4.2. Złoża ruchome (Moving Beds) 109

4.4.3. Wetlandy inżynieryjne (Constructed Wetland) 113

4.5. Bioreaktory membranowe (Membrane Bioreactors) 114

Literatura 116

5. Usuwanie azotu i fosforu ze ścieków z zastosowaniem nowych technologii 118

5.1. Biologiczne usuwanie azotu 118

5.1.1. Wprowadzenie 118

5.1.2. Badania ilości azotu w ściekach 118

5.1.3. Rekomendowane systemy intensywnego usuwania azotu ze ścieków 121

5.2. Biologiczne usuwanie fosforu 139

5.2.1. Wprowadzenie 139

5.2.2. Opis procesu EBPR 140

5.2.3. Biochemiczne aspekty procesów EBPR 141

5.2.4. Mikroorganizmy PAO i GAO 143

5.2.5. Powstawanie struwitu 146

Literatura 147

6. Naturalne metody biologicznego oczyszczania ścieków 150

6.1. Wprowadzenie 150

6.1.1. Nawadnianie pól (Irrigation of fields) 150

6.1.2. Pola filtracyjne (Filtration fields) 156

6.1.3. Stawy biologiczne 156

6.1.4. Napowietrzane laguny (Aeration lagoons) 163

6.1.5. Filtry piaskowe 164

6.1.6. Wetlandy inżynieryjne 166

Literatura 167

7. Nowoczesne biologiczne systemy oczyszczania ścieków 172

7.1. Wprowadzenie 172

7.2. Konwencjonalne systemy beztlenowego oczyszczania ścieków 173

7.2.1. Fermentory osadów 174

7.2.2. Szamba 176

7.2.3. Rowy utleniające 176

7.3. Rozwój technologii reaktorów beztlenowych o wysokiej efektywności 178

7.4. Podsumowanie 180

7.5. Rodzaje beztlenowo-tlenowych systemów oczyszczania 181

7.5.1. Systemy beztlenowo-tlenowe z wykorzystaniem oddzielnych wysokowydajnych bioreaktorów 181

7.5.2. Systemy zintegrowane beztlenowo-tlenowych bioreaktorów 188

Literatura 198

8. Ścieki przemysłu spożywczego i ich oczyszczanie 202

8.1. Wprowadzenie 202

8.2. Ścieki rolno-spożywcze 202

8.3. Przemysłowe wykorzystanie kukurydzy 204

8.3.1. Ścieki i ich charakterystyka 206

8.3.2. Oczyszczanie ścieków z procesowania kukurydzy 206

8.4. Produkcja drożdży piekarniczych 207

8.4.1. Skład ścieków z produkcji drożdży i ich charakterystyka 208

8.4.2. Oczyszczanie ścieków z produkcji drożdży 209

8.5. Przemysł cukierniczy 210

8.5.1. Ścieki i ich charakterystyka 210

8.5.2. Oczyszczanie ścieków cukierniczych 211

8.6. Przetwórstwo ziemniaków 212

8.6.1. Ścieki i ich charakterystyka 212

8.6.2. Oczyszczanie ścieków z przeróbki ziemniaków 213

8.7. Przemysł mleczarski 215

8.7.1. Podatność ścieków mleczarskich na degradację 217

8.7.2. Oczyszczanie ścieków mleczarskich 218

8.8. Przemysł browarniczy 226

8.8.1. Ścieki browarnicze 227

8.8.2. Oczyszczanie ścieków browarniczych 229

8.9. Przemysł mięsny 230

8.9.1. Oczyszczanie ścieków przemysłu mięsnego 232

8.10. Produkcja soków z owoców i warzyw 234

8.10.1. Soki z owoców cytrusowych 234

8.10.2. Sok jabłkowy 235

8.10.3. Przetwórstwo pomidorów 236

8.10.4. Przetwórstwo marchwi 236

8.10.5. Nektary 237

8.10.6. Ścieki z przetwórstwa owoców i warzyw 237

8.10.7. Oczyszczanie ścieków z przetwórstwa owoców i warzyw 238

Literatura 239

9. Oczyszczanie ścieków farmaceutycznych 244

9.1. Wprowadzenie 244

9.2. Mikrobiologiczna produkcja antybiotyków 244

9.2.1. Historia penicyliny 245

9.3. Komercyjna produkcja penicylin 246

9.4. Ścieki farmaceutyczne 248

9.5. Oczyszczanie ścieków farmaceutycznych 251

9.5.1. Bioreaktor typu AnMBR (Anaerobic Membrane Bioreactor) 255

9.5.2. Bioreaktor UASB 256

9.5.3. Bioreaktor typu EGSB (Expanded Granular Sludge Blanket) 257

9.5.4. Bioreaktor UASR (hybryda – czterostopniowy system bioreaktorów UASB) 258

9.5.5. Bioreaktor typu AnSBR 258

9.5.6. Hybrydowe systemy beztlenowo-tlenowe 258

9.6. Kluczowa mikroflora w oczyszczaniu ścieków farmaceutycznych 259

9.6.1. Analiza metagenomiczna w biologicznej oczyszczalni ścieków farmaceutycznych 259

9.6.2. Analiza metagenomiczna wspólnot mikroorganizmów w beztlenowych bioreaktorach oczyszczających ścieki farmaceutyczne 260

Literatura 262

10. Oczyszczanie ścieków rafineryjno-petrochemicznych 266

10.1. Wprowadzenie 266

10.2. Skład ścieków rafineryjno-petrochemicznych 268

10.3. Oczyszczanie ścieków rafineryjno-petrochemicznych 270

10.3.1. Degradacja fotokatalityczna 271

10.3.2. Zasadnicze oczyszczanie ścieków rafineryjno-petrochemicznych 274

10.3.3. Analiza metagenomiczna osadów w komorach konwencjonalnych i reaktorach membranowych w procesie oczyszczania ścieków rafineryjno-petrochemicznych 276

10.3.4. Analiza metagenomiczna wspólnot bakterii oczyszczających ścieki petrochemiczne w dwustopniowym systemie mikroaerofilno/anoksy tlenowym 278

10.4. Szlaki degradacji węglowodorów przez mikroorganizmy obecne w osadach 280

10.4.1. Szlaki degradacji węglowodorów w warunkach tlenowych 280

10.4.2. Mikrobiologiczna degradacja węglowodorów w warunkach beztlenowych 283

10.5. Podsumowanie 285

Literatura 286

11. Oczyszczanie ścieków celulozowo-papierniczych 290

11.1. Wprowadzenie 290

11.2. Charakterystyka odpadów i ich źródło 293

11.3. Skład chemiczny ścieków 294

11.4. Minimalizacja odpadów 295

11.5. Oczyszczanie ścieków celulozowo-papierniczych 295

11.5.1. Laguny z napowietrzaniem (baseny stabilizacyjne) 298

11.5.2. Oczyszczanie ścieków w warunkach beztlenowych 298

11.6. Analiza metagenomiczna wspólnoty bakterii degradujących drewno 301

11.7. Usuwanie zanieczyszczeń w ściekach celulozowo-papierniczych z zastosowaniem grzybów 303

11.8. Inne metody oczyszczania ścieków celulozowo-papierniczych 304

11.8.1. Koagulacja/strącanie 304

11.8.2. Adsorpcja 305

11.8.3. Utlenianie chemiczne 305

11.8.4. Filtracja membranowa 305

11.9. Odpady stałe i ich utylizacja 306

11.9.1. Fermentacja 306

11.9.2. Kompostowanie 307

11.9.3. Wprowadzanie do gruntu 307

11.9.4. Spalanie odpadów 307

11.9.5. Piroliza 307

11.9.6. Reforming parowy 308

11.9.7. Katalityczne utlenianie na mokro 309

11.9.8. Emisja gazów 309

11.10. Podsumowanie 310

Literatura 310

12. Oczyszczanie wód kopalnianych przez bakterie redukujące siarczany(VI) 314

12.1. Wprowadzenie 314

12.2. Charakterystyka biotechnologiczna bakterii redukujących siarczany(VI) 315

12.3. Skład fizyko-chemiczny AMD 322

12.4. Wspólnota mikroorganizmów w kwaśnych wodach kopalnianych 324

12.5. Biotechnologie usuwania zanieczyszczeń z AMD 325

12.5.1. Ekstensywne biotechnologie 328

12.5.2. Bioreaktory 331

12.5.3. Mikroorganizmy występujące w systemach oczyszczających AMD 334

12.5.4. Podsumowanie 335

Literatura 335

13. Odpady organiczne i ich utylizacja 342

13.1. Wprowadzenie 342

13.2. Rodzaje odpadów 344

13.2.1. Odpady komunalne 344

13.2.2. Odpady przemysłowe 344

13.2.3. Odpady niebezpieczne 344

13.3. Ilości produkowanych odpadów w Polsce 345

13.2.4. Odpady płynne 345

13.2.5. Komunalne osady ściekowe 345

13.4. Gospodarka odpadami stałymi 346

13.5. Hierarchia w sektorze gospodarki odpadami 348

13.6. Składowisko odpadów komunalnych 349

13.7. Mikrobiomy składowisk odpadów komunalnych 351

13.8. Technologie odzyskiwania materiałów i energii 352

13.8.1. Kompostowanie 353

13.8.2. Zgazowanie 361

13.8.3. Piroliza 361

13.8.4. Spalanie 362

13.8.5. Zagospodarowywanie osadów ściekowych pierwotnych i wtórnych 363

13.9. Akta prawne 364

13.10. Podsumowanie 365

Literatura 372

14. Biologiczne oczyszczanie odcieków ze składowisk odpadów komunalnych 376

14.1. Wprowadzenie 376

14.2. Składowanie odpadów komunalnych 377

14.3. Tworzenie odcieków składowiskowych 378

14.4. Oczyszczanie odcieków ze składowisk komunalnych 383

14.4.1. Fizykochemiczne usuwanie zanieczyszczeń w odciekach 384

14.4.2. Biologiczne oczyszczanie odcieków składowiskowych 386

14.5. Naturalna biologiczna oczyszczalnia odcieków 392

14.6. Wspólnoty mikroorganizmow w procesie oczyszczania odcieków składowisk komunalnych 393

14.6.1. Relacje między charakterystykami stawów oczyszczających odcieki a liczebnością OTU 394

14.6.2. Bakterie w stawach doczyszczających z roślinnością 395

14.6.3. Populacje archeonów w procesach oczyszczania odcieków 395

14.6.4. Wspólnoty bakterii występujące w odciekach, w stawach biologicznych i w bioreaktorach oczyszczających odcieki 396

14.7. Grzyby w oczyszczaniu odcieków 397

14.7.1. Oczyszczanie odcieków w bioreaktorach z grzybami 397

Literatura 398

15. Mechaniczno-biologiczna oczyszczalnia ścieków komunalnych w Ostrzeszowie 402

15.1. Wprowadzenie 402

15.2. Schemat technologiczny oczyszczalni ścieków 404

15.3. Efektywność oczyszczania ścieków komunalnych 407

Literatura 409