Aerobowa termofilowa biodegradacja materii organicznej

(1)

- -

WYZSZA SZKOLA INZYNIERSKA W ZIELONEJ GORZE + ZESZYTY NAUKOWE NR 51

Nr l INZYNIERIA SRO DOWISKA 11171

Magdalena Graczyk

Stanisław T. Kołaczkowski

AEROBOWA TERMOFILOWA BIODEGRADACJA MATERII ORGANICZNEJ

Streszczenie

Proces aerobowej, termofilowej biodegradacji materii organicznej znany j est

od dawna, btak jednak ścisłych danych o jego p-rzebiegu. Z przeglqdu litera- tury wynika, że procr:s ten uregulowany, mógłby znaleźć szerokie zastosowa- nie w techn?ce unieszkodliw iania stężonych ścieków i osadów ściekowyc1t.

Summary

T he aerobic thermoph ilic method oj biodegradation oj organie wastes is weLl konwn and used sinee very long, but precision is wanting ?.n the know- Zedge ot the course of this process. A reviev ot bibLiography made in this paper, indicate the possi biZity of a large employment ot this well regulated

process, to r ender harmless the organie matter ot sludge and high concen- trated w astewater.

Proces aer obowej termofilowej biodegradacji znany jest i stosowany 0d wieków do przeróbki stałych odpadków or:gankznych np. w ogrodnic-

twie, przeróbka ^gałązek,^liści, chwastów na kompost. ^~na:nyjest ^również proces samoogrzewania sję mierzwy końskiej, co nieraz doprowadza do spopielenia tego nawozu. Wiadomo, że w kale końskim jest szczególnie

dużo termofilowych bakterii, które to ^właśnieten proces przeprowadzają.

Obsze:r.ne badania nad k ompostowaniem śmieci w Polsce, prowadzili:

Kołaczkowski i Rosoch owicz [1]. Czas przemiany materii organicznej w kompost tj. jej biodegradacji i w efekcie jej biostabilizacji ^wynosił1-7-2

tygodni a temperatura w kopcach podnosiła się samorzutnie do 60°C

i wyżej, jeżeli wilgotność śmieci wynosiła co najmniej 45%, a odpływ

tlenu był wystarczający.

Kompostowanie śmieci ' i innych odpadków stałych organicznych przeszło

swą ewolucję, której szczytowym osiągnięciem jest kompostowanie w sposób ^ciągłynp. w aparaturze systemu Dano [2]. ^Materiałpoddawany

biostabilizacji jest mieszany w cylindrze stalowym w sposób ciągły,

a

^tym

samym i rozdrabiany. Do cylindra wdmuchuje ^się powietrze i parę wodną dla zapewnienia dostatecznej ^ilościtlenu i wilgoci. Proces ^zupełnej

Dr tnż. Magdatena Graczyk - Wyższa Szkoła Inżynierska w Zielonej Górze

Prof . d r Stanisław T. Kołaczkawski - Wyższa Szkola Inżynierska w ZieJonej Górze

(2)

48

^MAGDALENA^GRACZYK^, ^STANISŁAW^T. KOŁACZKOWSKI

- - - - ltmp. na9~' 20cm - - - tMiiJ. rta f/19JDJ:o,lci SIJMJ

- ·-·- ~- no ()(fliolwl~ ^' ^IIJ(}t8J

7()

10

L..-,- - --r---r----·- - - r-- - .,--, -~..,---.-- r---·~----~~--

19. VII ^J.Ylf/ !t VIII 2f.VH Jt.'lll tO.IX. 20./X JIJ!Ą 11 X. 195Sr.

C 7,~,r ^/E:·"^.^lJJf..Vir^fr!^::"

W ykres 1

humifikacji trwa ^około4 doby, przy czym ^jużpo 2 dobach ^otJ~zymuje się

produkt biostabilny, podobny do bogat ej ^w humus gleby. Temperatura substratu samorzutnie podnosi się do 60+ 65 °C.

W technologii oczyszczania ^ścieków miejskich stosuje ^się ^wyłącznie metody aerobowe, przy czym procesy te przebiegają

w

temperaturach optymalnych dla psychro i mezofilowych organizmów, przede wszystkim bakterii. Osady ściekowe, które można traktować jako stężone ścieki,

przerabia ^sięna użyteczny nawóz humusowy ^metodąa.nae::oho\vą, stosu-

jąc temperatury optymalne dla rozwoju mikroflory mezofilowej tj. 30·-7- 320C w wydzielonyc:h komorach fermentacyj•nych (WKF), lub temperatury zmienne ^zależneod temperatury ^zewnę^trznej

w

komorach fermentacyjnych nieogrzewanych np. w osadnikach Imhoffa lub otwartych ko- lnorach fermentacyjnych (OKF).

Przeróbka osadów ściekowych .na drodQ;e aerobowej jest ^równieżzna- na od dawna, natom1ast metody termofilowej aerobO'wej w skali teeh- nicznej do oczysLX:zania czy stabilizacji ścieków i osadóvv ściekowych -

dotąd nie stosowano. Pierwsze prace badawcze ^·^w skali laboratoryjnej prowadzili: Hussman ⁱ Malz w roku 1955

I3J,

stosując zlo·ża i osad czynny. Do badań używano ścieków syntetycznych o następującym składzie:

100 mg sacharozy 100 mg peptonu

50 mg K ₂BP0₄

100 mg NaHC0₃

na 1 dm³ wody wodociągowej.

(3)

Aerobowa termofilow a biodegradacja materii organtcznej 49

Jałowe ścieki syntetyczne zaszczepiono mikroorganizmami mezo i termofilo-wyroi, poprzez dodawanie ścieków domowych na powierzchnię złoża

przez 20 dni. ^Błonabakteryjna pojawiła się po 9 dniach . Po 20 dnia<:h na złoża podawano już tylko czyste ścieki syntetyc:zme. Obserwacje pro- wadz()lno równolegle na złożu ogrzewanym do 55 °C i nieogrzewanym w temp. 18° C. Wyniki badań ilustruje wykres 2.

Wzrost sprawności złoża w czasie ^j ego wpracowywania się

Jiiad.oJ<

C/łUłttial!toki lf.lk!O,

100%

lO

o

20

l

•

J

mczofilcwo 18

· c

JO .f. O

Dni

Wykres 2

Z wykresu tego wynika, że proces w warunkach termofilowych zaszedł

o tydzień wcześniej, z tym j~ak, że końcowy efekt w cbu przypad- kach był ten sa .. n i wynosił około 50% spadku utlenialności nadmanga-

• •

nianoweJ.

N a złożach termofilowych w odróżnieniu od złóż mezofilowych, nie

występowała mucha Psychoda, normalnie występująca na niskoobciążo

nych ^zł^ożac^hzraszanych , a badania mikrobiologiczne ^wykazały^, ^żew warunkach terrnofilowych przeważały bakterie. Czas kontaktu ścieków L.e

złożem wyjaśnia wykres 3.

Z wykresu tego v.;ynika, ^żeczas kontaktu ^ściekówze ^złożemw warunkach mezofilowych był dwukrotnie dłuższy aniżeli w złażu termofilo- wym. Autorzy wyjaśniają to zjawisko zmniejszoną lepkością błony bio- logicznej przy wyższej temperaturze i inną strukturą złoża.

Wpływ podwyższonej temperatury na działanie osadu czynnego opl-

4 - Zeszyty Naukowe nr 51

•

(4)

50 ^MAGDALENA ^GRACZYK^. ^STANISŁAW^T. KOŁACZKOWSKI

Czas kontaktu ścieków ze złożem

6

1.

o

'

^1l ^l'ł1in ¹¹ ^lO

Wykres 3

Uwaga! Krzywe uzyskano ^przez pomiar stężenia w odpływie ze złoża chlorków dodawanych na dopływie ścieków na złoże.

sali w 1934 roku Viehl i 1Meissne1' [ 4]. Uzyskali oni przy n apov.;ietrzaniu

\V ciągu 7,5 godz. następujące ubytki utleniaLności:

przy 20° C - 60% . 30° C - 63o/o

-

^45%

~5°C <>'"%

V .. ,J ^J

HusS'man i Malz prowadzili bada¹nia w 55°C i napowietrzali ścieki w cią-

gu l ^h. Ilość osadu czynnego w trakcie podwyższ·enia temperatury z 20°- 35 °C vv ciągu l tygodnia silnie 1.:vzrastała, aby po przekroczeniu tej gra-

n~cy termicznej gwałtownie spB.ść. Powyżej 40°C kłaczki ~sadu były bar- . dzo małe. Obra·z mikroskopowy wykazuje obecność wolno pływających

bakterii. Zabarwienie osadu mezofilo-w·ego było szarobrunatne, termofi- l<n.vego od 45~ w _gór_ę _było jasnoróżowe. Podobnie było na złożach.

Sprawność procesu ilustruje wykres ^4.

Autorzy zaobsenvowali ^w zakresie temp. 30- 37°C silny wzr ost bakterii nitkowatych (prawdop~dohnie Sphaerot.ilus natans) . Powyżej 37° C

ob.raz był jednolity i wykazY'~Tał obecność: jedynie bakterii. Chcąc stwo-

rzyć Jep3:ze warunki do osadzania się bakterii dodano krótkowłóknistego

azbestu. (Metodę t~ stosowal Zigerli} (5]. Pozyiy,x..~ne rezulta ty uzyskali autorzy jedynie na złożach, osad czynny dał wyniki negatywne.

(5)

Aerobow a termofilowa biodegradacja materit organicznej 51

Sprawność biodegradacji substancji organicznej za pomocą osadu czynnego w róż

n ych temperaturach

jpaaek uHenialno.tci KMnOf 100 ~

10

60

40

lO

o

()

" " - -- ----,--- -·--- -- - - . - - - --....,

.30

W ykres 4 godz.

W ostatnim czasie ukazała się praca na temat stabilizacji bardzo stę

żonych ścieków metodą aerobową termofilową U. Lolla [6]. Autor przy-

tacza prace Bronna (7J, Conneya [BJ i Pop1a (9], których w-yniki badań na

temat ^ciepła^wywiązującego si~ w trakcie aerobowej fermentacji, podano w tabeli nr l.

Organizmy

Bakterie E-coli

B-Subtilis B-Subtilis R-Subtilis

Drożdże

C-I ntermedia C-Intermedia Grzyby

A-Niger A-Niger

Sub~trat

l

^Glukoza

1 Glukoza Melas:1

l

Glukoza Melasa

•

Tabela 1 Wytwarzanie ciepła

··---~----~---~---

13,43

średni a

^"vart

Utl. tlenem

Kcal

g C

12,6 116 '

11,5 11,4

9,7 11,2

7 l

,, ' 11

---~----8,_9 ^____~ Z zestawienia powyższego wynika, że ^w trakcie aerobowej biodegradacji materii organicznej

l g 02 ChZT odpJwiada 3,5 Kcal

(6)

52

^MAGDALENA^GRACZYK^, ^S^TANISŁAW^T. ^K^O^ŁACZK^O^W^S^KI

Należy podkreślić, że jest t o średnia dla wszystkich wymienionych w

pracy organizmów tzn. bakterii, drożdży, promieniowców, przy ^c^zym dla samym bakterii wartości te są wyższe. Loll uważa, że k ryteria stoso-

wane dla me~ofilowych procesów biodegradacji takie jak:

l. próba na ·zagniwalność z ^błękiten1n1etylenowym lub papierkiem na- syconym octanem ołowiu;

2. oznaczanie zawartości tłuszczów;

3. ubytek suchej substancji i suchej po-zostałości po ^pra^żeni^u^; 4. wydzielanie ^sięgazów w czasie fer.mentacji beztlenowej; 5. ChZT;

6. _C . H ⁼ IS

popiół

7. oddychanie o·sadu;

&. test aktywności 1·eduktazowej (TTC);

9. .stosunek BZT5^/węglaorganicznego;

są niewysta!l"czające i zaproponował nowe kryterium zn1iany w czasie stosunku BZT₅/ChZT ^{= ll} BZT i przyjmuje jako ^tec^hni^czną, właściwą

prakty cznie granicę stabilizacji wartości 0,10-0,15. Poniżej tej granicy uzyskano ubytek BZT₅ większy od 90%, a nawet 98~o. Autor przeprowa-

dził badania n a skalę półtechniczną w układzie statycznym (bez przepły

wu) i dynamicznym (z przepływem) - poddając utlenieniu pięć różnych

substratów, których BZT i ChZT podano w tabeli 2.

STĘZENIE BA DANYCH SVBSTRAT OW

l. Gnojowica świńska

2. Brzeczka drożdżowa

3. Odcie!·: z silosów

4. Osad ^7. osadn~ków wstęp

nych- -oczysz.cz. miejskich 5. Melasa

l l

Ch ZT mg/l

-

ok. 28000 ok. 10000 ok. 20000 ok.45000 6500-88000

BZT5

mg) l

•

ok. 19000

l ^ok. ⁶⁰⁰⁰

ok. t5000 ok. 15000

l ₄₂₀₀_- ₇₆₀₀₀

l

Jako przykład procesu biodegrad acji może służyć wykres 5.

1'abela 2

C org mg/l

ok. 81 00 ok. 5600 ok. 6600 ok. 22000 2700- 4.9000

Z wykresu ^widać^, ^że maksima temperatury pH spadku BZT₅ i ChZT

wystąpiły w ciągu :?.+ 5 dni t r wania procef:u Proces prowadzony metodą ciągłą tj. przy stałyn1 przepływie ścieków, dał następujący obraz: (wy - kres 6)

(7)

Aerobou'a termofiLowa biodegradacja mc.terii organicznej

Biodegradacja gnojowicy świńsktej prowadzona w układzie statycznym tub okresowo

z o

~--~ pH

•- -• iemp. Subltratu a---o ChzT

o--o l':łl.T 6 to

4 - -ó orq. C

~ strat q prrg pf'azt:ni u

6 łO

-~ - ..---' 4 o

f(} 1§ zo llni

Wykres 5

53

Proces przebiegał spravvniej, temperaturę maksymalną ponad 50°C, osi' g-

nięto w ciągu około 40h, a BZT i ChZT osiągnęły swe minima prakLycz- nie pJ 80h. Jak już wspomniano U. Loll wprowadził swoje własne kryterium stabilności osadó"v i ścieków stabilizowanych aerobowo, a miano-

\\·icic stosunek BZT_{5 :} ChZT. Zastosował on róW!llież wykresy, na któ- rych przedstawił przebieg tego stosurnku w czasie oraz w odniesieniu do ubytku l']BZT5, wyrażonego ułamkiem dziesiętnym BZT5 początko

\\'ego = l (por. wykres 7).

Autor ten przyjmuje jako praktyczną granicę stabilizacji BZT₅/ChZT = 0,1 którą osiągntłl dla osadów ściekowych w próbach okresowych po 3,5 doby, a w próbach przepływowych p::> 2,5 doby. Lewa strona wykresu przedstawia zależność BZT ₅/ChZT odniesioną do 11BZT _{5 .} W i dać z niego,

że kształt krzywej jest ten sam dla prób okresowych ja:~ i przepływo

wych. Według Lolla, procesy biodegradacji przebiegają tym szyociej i in- tensywniej, im wyższe s~ BZT5 i ChZT, a stabilizacja osadów ściekowych

(8)

54 ^MAGDA^L ÊNA^GRA.CZ ^Y^K ^, ^STANÎS^ŁÂW^T ^. ^KOŁACZKOWSKI

zachodzi z ^cał^ą ^pewnościąw ^c^iągu2,5-7 dób. Sprawa k ryterium stabilizacji substr atów organicznych ma istotne znaczenie dla procesów biodegradacji, gdyż pozwala ustalić praktyczny czas zakończenia procesu.

W Polsce zajmował się tyn1 problemem E. Kempa, który ^pr^owadziłba-

-

Biodegradacja gnojowicy świńskiej prowadzona w sposób ^ciągły

9/1 r--- -- - - -

zo J l

l

16

J _.. ,'

l

10 l

l

l l

/

l /

/ /

/ '

. ...

/

- ^-.-

^{- - -}

^- ^. ^_ ^,. ^_

^{- - - -}

^-

^..._^-

^-

^---^...^-^~pff^~ ^°C

.-- ~ pH '

- - o

^temp.^Jub#rQtu

D D ChlT

O' o &Ts

• 6 org.C

' 60

, ff()

~-..."'0-^{_ __ _ _}

l '

⁵⁰

dop1.vw

' UJ

l

5 l

l

talkowity ucu

!J:Lctrr(l-_

marr<a 5~<

---.-~----r----

--

⁴ ¹⁰

l _1/

• III

Wykres 6

dania nad stabilizacją osadów ściekowych · w warunkach mezo i psychro- filowych. Zaproponował on własny wskaźnik stabilnoścj osadów:

IS = ~ ^. H

popiół

gdzie. C i H - zawartość procentowa C i H w suchej substancji osadu.

~⁷yniki badań Kempy ^o^dnoszą ^się wprawdzie do aerobowej stabiliza cji w temp. niskich i średnich [llt lecz jego kryterium jest najprawodob- niej słuszne również dla procesów biostabilizacji termofilowej, gdyż osta-

tecznie ^ka^żd^ybioproces aerobowy, a ^wię^c proces ^zużywa^jący tlen pro- wadzi do utleniania najbardziej na to u tlenianie poda tnych substancji,

co równa się ezęśdo \vej lub nawet zupełne j biostabilizacji, która w nattl-

(9)

Aerobowa termojilow u biodegradacj a materii organicznej

55

D iagram stabilizacji osadów ściekowych

. - l

l_ / _ j

¹

1 o, ^z-+-^-+---- ^---+- Y-- ---'-··- +-1

- + ---+ ^-- ^{t- ·} ^,_ ^-~t-r ^-1 ^- ^-. f--l,.__~---+-+--+- -+- 0,

²

j ..

:__.V-1

^l

^~ ^-4 ^-~- --+--l-~+-+-~1-4~

,· . / ~ ⁱ ^\ ^l ^.•^, ^.

• l

l

^{. l -}

. e ^V ^Q ⁱ ~--~

l

^{! '•}^I·~Lr-..___+-f- l . - ^t

l .+--l'-

--~ lf 1 - - - - -__ _ _

^{l _}^l ^l

^f ^\ ^• ^\ ^- ~...--ł--··--t .~--+ ~

¹

---r; -ł--i· -+-1-

1 • l l

l

• · ' - -- - ~ ~~~+---.:..__ ^!-^+-+^'-+-+-t-ir-11-

' " ' l l ^l l

l

. l - ł- . ^l ^{• .}~.:4_:_.:.1 ~-l\~-+----t--7---:--t--l--+-+-+

~

^l

l

^l

^:l

^{i '}

l ^' ^~- ^~ ^d l l

~ ~ + -

l -

^l ^{- :}

l . -- . : - ·

^~^-

-

^-~^--^;;.-AI);;;4;;;;;1~

~--~~------~~^l --~-- ^'

1~ On(' l

0,7 O ^•^.r:^,^l J!t ^l o ⁵

W ykres 7

ralnych warunkach zachodzi częściej niż pełna n1ineralizacja. Czy te p.cze- widywa·ni-a są słuszne wykazać n1ogą i mają doświadczenia.

SPIS LITERA TURY

[1 ]. Koł a c z k o ^w ski S., Ro s o c h o ^'vVi c z J. - Badania możliwości terme-:~

tacjz termofilowej śmieci m ie.Jsktcl1 i osadów ściekowych w kopcach. P ra (:e Instytutu Gospodarki Komu?1alnE'] 1 rok VI, z.eszyt 10. Wyd. Arkady \'\1- ·,-.1 1959 r.

[2]. Ko ł a c z k o w s ki S - K ompostowanie metodą .. DANO". Gaz, Wodu i _Tec_:~

nika Sanitama XXIX (1957) Biuletyn JGK nr 5.

[31. H u s s m a n ¹¹ W., M a ^Iz ^{F. -} Untersuchungen zur biogischen A bwasserrei- nigung aut aerober thermopitiLer Grundlage. G.W.F. 100 (1959) z. 8.

l4J. ^Vⁱ^e^{h 1,} ^M ^eⁱ^s^s^ner ^- ^Zts^c^h^rft. ^fUr Bakteriologie 91 (1934) wg poz. 3.

f5]. H o f f m a n n - Beitrage zur Biologie des belebten Schlammes, Archiv f.

Hyg. 1941 .

(Podano wg K. Tmhoff "Taschenbuch der StadtentwiissC'rung v-;yd. V s. 1943J. [6]. L o 11 U. - Stabilisierung hochkonzentri erter organischer Abwći.sser und A bwasserschlći.mme durcJ1 aernbthermophile Abbauprozesse G.W.F. 115 (1974)

z. 4.

(10)

56

^MAGDALENA ^GRACZ^Y ^K ^, ^STANISŁAW^T ^. ^KOŁ^.LlCZKOWSKI

- - - -

^----

(7J. Bron n W. K. - - Probleme der mikrobiellen Warmebildung und adiiquaten Fermenterkilhlung.

.

Z Symposium - Technische Mikrobiologie, Institut fi.ir Garungsgev,,erbe und Biotechnologie, Berlin, 1970.

[8]. C o o n e y C. L ., W a n g D. ^I. C. n. M ak l e s R. J. - Measurement of ^herz^t

evolution and correlation wit~?, oxygen consumption during m icrobiological growth. Biotechnology und Bioengineering, XI (1968).

[9). P o ^p e l F. - Selbsterwiirmung bei der aerobeon Rein igung hochkonzen trierter Su.bstrate mit Hilfe von Umwćilzbeliiftern, Landtechnische Forschung, 19 (1970)

z. 5.

[1 0]. L o 11 U. - Neue Aspekte zur getrennten aeroben Schlammstabilisation , Kor- respondenz Alwasser, 21 (1974) z. 6.

(11]. K e m ^pa E. S. - Zur Bestimmung der Stabilisierungsgrenze in aerob belw"1- delten KliirschUimmen. Wasser, Luft und Betrieb 12 ,1 968) z. 8.

[12]. K e m p a E. S. - Vber aerobe Schlammstabilisier·ung bei niedrigen TeF"L ..

peraturen, '.\Tasser Luft und Betrieb 13 (1969) z. 9.