Politechnika Warszawska

Wydział Instalacji budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska

Podstawy biologiczne w uzdatnianiu wody i oczyszczaniu ścieków

SPRAWOZDANIE 3
„Badanie bakterii biorących udział w unieszkodliwianiu osadów ściekowych metodą fermentacji metanowej”

Wykonali:

Bartosz Bogusławski

Marcin Bartnicki

Martyna Cieniawska

Natalia Homenda

Joanna Iwaniuk

Paulina Kondraciuk

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest ocena skuteczności dezynfekcji wody chloranem sodu (I) w zależności od szczepu bakterii, zastosowanego stężenia dezynfektanta oraz czasu dezynfekcji. Zakres ćwiczenia obejmuje:

• określenie zapotrzebowania wody na chlor,

• przeprowadzenie dezynfekcji wody metodą chlorowania przy różnych parametrach procesu,

• określenie liczebności bakterii w wodzie przed dezynfekcją i po dezynfekcji,

• określenie skuteczności dezynfekcji wody dla różnych szczepów bakterii i różnych parametrów procesu.

2. Metodyka ćwiczenia

Doświadczenie zostało wykonane przez dwie grupy. Jedna grupa otrzymała zawiesinę bakterii Escherichia coli, a druga bakterii Bacillus sp. Dla obu rodzajów bakterii przygotowano po 3 zlewki, do których odmierzono po 250 ml zdechlorowanej wody oraz dodano odpowiednią ilość zawiesiny bakterii, tak aby liczebność bakterii osiągnęła rząd wielkości 10³.

Zlewki umieszczono na mieszadłach magnetycznych i mieszano w celu równomiernego rozprowadzenia zawiesiny bakterii w całej objętości próbki.

Określono zawartość pozostałego użytecznego chloru wolnego. W tym celu do cylindra Nesslera dodano 5cm³ roztworu ortolidyny i uzupełniono do 100cm³ badaną próbką. Natychmiast wykonano odczyt przez porównanie ze skalą wzorców.

Następnie obliczono zapotrzebowanie wody na chlor - dla E.coli wyniosło 0,95mg /dm³, dla Bacillus sp. zapotrzebowanie wyniosło 0,3 mg /dm³.

W kolejnym etapie doświadczenia określono początkową liczebność bakterii w wodzie do dezynfekcji. W tym celu ze zlewek nr 2 pobrano 1cm³ badanej wody i wykonano rozcieńczenia w zakresie 10^-1 - 10^-3. Wykonano posiew metodą głębinową na podłoże agarowe odżywcze zwykłe z rozcieńczeń 10^-2 (2 płytki) oraz 10^-3 (2 płytki) dla bakterii E.coli oraz w taki sam sposób dla Bacillus sp.

Do zlewek 2 i 3 dodano roztwór chloranu sodu (I) w objętości 0,20 cm³ w przypadku bakterii Bacillus i 0,36 cm³ w przypadku bakterii E. coli.

Po 15 minutach w 2 zlewce określono pozostałość użytecznego chloru wolnego, a następnie poddano dechloracji tiosiarczanem sodu w ilości 1,5 cm³.

Kolejnym krokiem było określenie liczebności bakterii w wodzie w 2 zlewce po 15 minutach dezynfekcji i dechloracji. Wykonano posiew głębinowy dla rozcieńczeń 10⁰ i 10^-1 (po 2 płytki).

Po 45 minutach w 3 zlewce oznaczono zawartość pozostałego użytecznego chloru wolnego oraz przeprowadzono dechlorację, a następnie oznaczono liczbę bakterii po dezynfekcji wykonując rozcieńczenia jak dla zlewki 2.

Hodowle inkubowano 48h w temperaturze 26^oC w przypadku Bacillus sp. oraz w temperaturze 37^oC w przypadku Escherichia coli. Policzono wyrosłe kolonie, a następnie podano liczbę bakterii w jtk/cm³ badanej próbki.

3. Wstęp teoretyczny

Dezynfekcję prowadzi się w celu unieszkodliwienia bakterii i wirusów znajdujących się w wodzie (zniszczenie wirusów patogennych) oraz zabezpieczenia wody przed wtórnym zanieczyszczeniem w czasie jej przepływu ze stacji uzdatniania do odbiorców.

W technologii uzdatniania wody do dezynfekcji używany jest chlor i jego związki (CL₂, NaClO, ClO₂), ozon (O₃) i promieniowanie ultrafioletowe (UV). Skuteczność dezynfekcji wody zależna jest od:

• rodzaju i dawki środka dezynfekującego,

• czasu kontaktu dezynfektanta z wodą,

• rodzaju i ilości mikroorganizmów zawartych w wodzie,

• jakości dezynfekowanej wody.

Ze względu na dużą bakteriobójczość oraz trwałość zapewniającą obecność dezynfektanta w wodzie sieciowej, do odkażania wody w praktyce powszechnie stosowany jest chlor. Powoduje on inaktywację enzymów, głównie oddechowego, oraz niszczenie struktur komórkowych. Podczas chlorowania wody wprowadzony chlor ulega hydrolizie do kwasu chlorowego (I), będącego czynnikiem dezynfekcyjnym:

Powstający kwas podchlorawy może dysocjować do :

Powstający w wyniku dysocjacji jest znacznie słabszym środkiem dezynfekcyjnym niż .

Aby zapewnić skuteczną dezynfekcję wody, należy do niej dodać taką ilość reagentu, aby po jego zużyciu na procesy utleniania i niszczenia mikroorganizmów pozostał określony nadmiar. Ilość chloru wolnego (lub jego związków), dodaną do wody w celu przeprowadzenia niezbędnych reakcji, aż do osiągnięcia w wodzie po założonym czasie kontaktu określonego stężenia pozostałego chloru użytecznego, nazywa się zapotrzebowaniem na chlor.

Podczas chlorowania wody mogą powstawać produkty uboczne jak szkodliwe dla zdrowia trihalometany (THM), czy tworzenie chloramin przez reakcję ze związkami azotanu amonowego.

4. Obliczenia

Escherichia coli

W zawiesinie otrzymanej z laboratorium ilość bakterii Escherichia coli wynosiła [org/ml].

Aby uzyskać liczebność rzędu 10³ , dokonano przeliczenia:

Ostatecznie przyjęto dawkę równą 0,1 ml, co równe jest 4 krotnej wartości obliczonego x, aby liczebność była rzędu 10³- 10⁴ komórek/1 cm³.

Bacillus sp.

Dla szczepu Bacillus sp. ilość bakterii w zawiesinie otrzymanej z laboratorium wynosiła [org/ml]. Aby otrzymać liczebność bakterii rzędu 10⁴ [org/ml] dokonano przeliczenia:

Ostatecznie przyjęto dawkę równą 0,1 ml, co równe jest 4 krotnej wartości obliczonego x, aby liczebność była rzędu 10³- 10⁴ komórek/1 cm³.

Zapotrzebowanie wody na chlor:

E.coli

	Rozcieńczenie			Jednostki tworzące kolonie jtk/cm^3
Przed dezynfekcją	10^-2	134	142	2,1 x 10^4
	średnia	138
	10^-3	23	35
	średnia	29
Po 15 min	10^0	1	0	0,6*
	średnia	0,5*
	10^-1	2	0
	średnia	1*
Po 30 min	10^0	2	2	2*
	średnia	2*
	10^-1	0	0
	średnia	0*

*Biorąc pod uwagę niejednoznaczność otrzymanych wyników po 15 i 30 min dezynfekcji należy przyjąć 0 jtk/cm³.

Pozostały użyteczny chlor wolny po 15 min przed dezynfekcją: 0,05 mg/l

Pozostały użyteczny chlor wolny po 15 min dezynfekcji: 0,6mg/l

Pozostały użyteczny chlor wolny po 30 min dezynfekcji: 0,4 mg/l

Zapotrzebowanie wyniosło 0,95mg /dm³

Dawka chloru dodana do 250 ml to

Skuteczność dezynfekcji po upływie:

• 15 minut:

• 30 minut:

Bacillus sp.

	Rozcieńczenie			Jednostki tworzące kolonie jtk/cm^3
Przed dezynfekcją	10^-2	25	24	2,8 x 10^3
	średnia	24,5
	10^-3	5	3
	średnia	3
Po 15 min	10^0	-	-	2,0 x 10^3
	średnia	-
	10^-1	219	181
	średnia	200
Po 30 min	10^0	-	-	1,4 x 10^3
	średnia	-
	10^-1	160	114
	średnia	137

- nie dokonano obliczeń kolonii bakterii przy rozcieńczeniu 10⁰ dla próbek po 15 i 30 minutach dezynfekcji z powodu dużej liczby powstałych kolonii

Pozostały użyteczny chlor wolny po 15 min przed dezynfekcją: 0,7 mg/l

Pozostały użyteczny chlor wolny po 15 min dezynfekcji: 0,5 mg/l

Pozostały użyteczny chlor wolny po 30 min dezynfekcji: 0,5 mg/l

Zapotrzebowanie wyniosło 0,3mg /dm³

Dawka chloru dodana do 250 ml to

Skuteczność dezynfekcji po upływie:

• 15 minut:

• 30 minut:

5. Analiza wyników

Badania zostały wykonane przez dwa zespoły, przy czym każdy z nich badał skuteczność dezynfekcji na dwa różnych rodzaje bakterii: E. Coli oraz Bacillus sp.

Wyniki uzyskane przez grupy badawcze mogą się różnić ze względu na różną odporność bakterii na utlenianie za pomocą chloru.

Dezynfekcja bakterii E. coli:

Przed dezynfekcją w badanej próbce stężenie bakterii wynosiło 2,1 ∙ 10⁴ jtk/cm³.

Wyznaczone doświadczalnie zapotrzebowanie na chlor w celu usunięcia bakterii wyniosło
0,95 mg/dm³.

Do dezynfekcji w systemach zaopatrzenia w wodę stosuje się nadmiar chloru ze względu na możliwość wystąpienia niekorzystnego zjawiska tj. wtórnego zanieczyszczenia wody.

Obliczona dawka chloru do badanej próbki (uwzględniająca nadmiar chloru) wyniosła 1,45 ml/dm³. Ponieważ badania przeprowadzono na próbce wody w ilości 250 ml, stąd ilość chloru użytego w doświadczeniu wyniosła 0,36 ml.

Oznaczenia ilości bakterii przeprowadzono po 15 i 30 min.

Po 15 min działania chloru oznaczona ilość bakterii wynosiła 0 jtk/cm³, co oznacza skuteczność procesu na poziomie niemal 100% (99,99%).

Po 30 min działania chloru oznaczona ilość bakterii wynosiła 0 jtk/cm³, co oznacza skuteczność procesu na poziomie niemal 100% (99,99%).

Po procesie dezynfekcji stężenie chloru wolnego powinno wynosić tyle ile założony nadmiar tj.
0,5 mg/dm³.

Po 15 min uzyskano nadmiar chloru wynoszący 0,6 mg/dm³, natomiast po 30 min, uzyskano nadmiar 0,4 mg/dm³.

Należy wziąć pod uwagę, że ocena ilości chloru nadmiarowego odbywała się metodą porównawczą, w odniesieniu do skali wzorców, stąd możliwość wystąpienia błędu obserwacji.

Wyniki badań dezynfekcji bakterii E. coli wykazały pełną skuteczność chloru jako dezynfektanta. Ilość pozostałego chloru wolny jest zbliżona do założonej wartości, przy czym po dłuższym czasie działania ilość chloru jest mniejsza, co wskazuje na możliwość zużywania go do innych procesów niż utlenianie związków organicznych lub błędy w wykonywaniu oznaczeń.

Dezynfekcja bakterii Bacillus sp.:

Przed dezynfekcją w badanej próbce stężenie bakterii wynosiło 2,8 ∙ 10³ jtk/cm³.

Wyznaczone doświadczalnie zapotrzebowanie na chlor w celu usunięcia bakterii wyniosło
0,3 mg/dm³.

Obliczona dawka chloru do badanej próbki (uwzględniająca nadmiar chloru) wyniosła 0,8 ml/dm³. Ponieważ badania przeprowadzono na próbce wody w ilości 250 ml, stąd ilość chloru użytego w doświadczeniu wyniosła 0,2 ml.

Oznaczenia ilości bakterii przeprowadzono po 15 i 30 min.

Po 15 min działania chloru oznaczona ilość bakterii wynosiła 2 ∙ 10³ jtk/cm³, co oznacza skuteczność procesu na poziomie 28,57%.

Po 30 min działania chloru oznaczona ilość bakterii wynosiła 1,4 ∙ 10³ jtk/cm³, co oznacza skuteczność procesu na poziomie 50,0%.

Po procesie dezynfekcji stężenie chloru wolnego powinno wynosić tyle ile założony nadmiar
tj. 0,5 mg/dm³.

Po 15 min uzyskano nadmiar chloru wynoszący 0,5 mg/dm³. Podobnie, po 30 min uzyskano nadmiar 0,5 mg/dm³.

Wyniki dezynfekcji bakterii Bacillus sp. znacząco odbiegają od wyników dezynfekcji bakterii E. coli, ze względu na fakt, że te pierwsze bakterie, wytwarzają formy przetrwalne, odporne na działanie środka dezynfekującego.

Dłuższe działanie dezynfektanta spowodowało większą skuteczność jego działania. Jednocześnie ilość pozostałego chloru wynosiła tyle samo w przypadku obu czasów trwania procesu. Fakt, że dłuższy czas trwania procesu nie wpływa na większe zużycie chloru, wskazuje nie na zmniejszenie się ilości bakterii w wyniku innych procesów, lecz na błędy w wykonywaniu doświadczeń.

6. Wnioski

Przed przystąpieniem do prowadzenia procesu dezynfekcji, jak pokazały powyższe wyniki, należy właściwie i najdokładniej jak to możliwe wyznaczyć rodzaj, dawkę dezynfektanta, a także jego czas kontaktu z wodą. Konieczne jest uwzględnienie najwyższego dopuszczalnego stężenia chloru w wodzie przeznaczonej do spożycia: 0,3 mg/l. Ponadto należy uwzględnić skład wody poddawanej temu procesowi i mikroorganizmy jakie chcemy w niej unieszkodliwić.

Uzyskane wartości pozwalają stwierdzić, iż bakterie Bacillus sp. charakteryzują się mniejszą podatnością na dezynfekcję, w porównaniu do bakterii E.coli.

W przypadku pałeczki okrężnicy, obserwowano niemal 100 % skuteczność dezynfekcji już po 15 minutach prowadzenia procesu. Można zatem stwierdzić, że w tym przypadku dezynfekcja chlorem okazała się efektywna, a pozostający nadmiar chloru pozwala zabezpieczyć wodę przez jej wtórnym zanieczyszczeniem.

W przypadku Bacillus sp. sprawność dezynfekcji wyniosła po 15 minutach 28,57 %, a po dwukrotnie dłuższym czasie procesu tylko 50 %. Zdecydowanie większa odporność na dezynfekcję chlorem wynikała ze zdolności tych bakterii do wytwarzania form przetrwanych. W trakcie procesu wyginęły formy wegetatywne bakterii Bacillus sp., natomiast pozostały formy przetrwalne, które nie giną w procesie chlorowania wody. By skutecznie usunąć przetrwalniki bakterii Bacillus sp. i przygotować wodę do spożycia, należałoby poddać ją dodatkowo sterylizacji.