Fermentacja beztlenowa

1. Fermentacja beztlenowa (fazy)

Fermentacja beztlenowa jest to proces mikrobiologiczny, w którym substancje organiczne przekształcane są w CH₄ i CO₂. Zachodzi w ekosystemach naturalnych lub stworzonych przez człowieka, w których nie występuje tlen. Przebiega w czterech etapach:

• Hydroliza - rozkład polimerycznych, nierozpuszczalnych związków organicznych (białka, tłuszcze, węglowodany) do prostych związków , rozpuszczalnych w wodzie (monocukry, aminokwasy, kwasy tłuszczowe) przy udziale enzymów (amylazy, lipazy, proteazy) wytwarzanych przez bakterie hydrolityczne.

• Acydogeneza - jest to faza, w której dominujące bakterie acydogenne rozkładają rozpuszczalne w wodzie substancje oraz produkty hydrolizy do krótkołańcuchowych kwasów organicznych (mrówkowy, octowy, propionowy, masłowy, walerianowy), alkoholi (metanol, etanol), aldehydów oraz CO₂ i H₂. O rodzaju produktu tego etapu decyduje stężenie wodoru.

• Acedogeneza - jest to etap fermentacji, w którym odpowiednie gatunki bakterii przetwarzają kwasy organiczne do kwasu octowego, dwutlenku węgla i wodoru. W całym procesie fermentacji beztlenowej etap ten jest najtrudniejszy pod względem termodynamicznym. Acedogeneza decyduje o wydajności produkcji biogazu.

• Metanogeneza - tworzenie metanu z kwasu octowego lub dwutlenku węgla i wodory przy udziale bakterii metanogennych.

CH₃COOH→CH₄+CO₂

4HCOOH→CH₄+3CO₂+2H₂O

4CH₃OH→3CH₄+CO₂+2H₂O

2. Charakterystyka mikroorganizmów w poszczególnych fazach fermentacji.

• bakterie kwasotwórcze

• bakterie octanogenne

• bakterie metanogenne

Bakterie występujące w I i II etapie fermentacji to bakterie hydrolizujące związki organiczne. Dominują tu obligatoryjne i fakultatywne beztlenowce. Niektóre z nich mogą być bezwzględnymi beztlenowcami. Optymalne warunki dla tych mikroorganizmów to pH ok. 6 a temperatura ok. 30°C.

Bakterie octanowe odpowiadają za produkcję octanów. To właśnie one przekształcają produkty acydogenezy. Można je podzielić jeszcze na dwie grupy: syntroficzne-hydrolizujące i homooctanowe.

Bakterie metanogenne należą do bezwzględnych beztlenowców, są morfologicznie zróżnicowane i wyspecjalizowane do przyswajania i przetwarzania określonych rodzajów substratów. Występują w postaci pałeczek i spirali oraz są wrażliwe na pH środowiska i wahania temperatury.

3. Skład, ilość i dynamika wydzielania biogazu z komór fermentacji beztlenowej.

Składniki	Udział [%]
Metan CH4	52-85
Dwutlenek węgla CO2	14-18
Siarkowodór H2S	0,08-5,5
Wodór H2	0-5
Tlenek węgla CO	0-2,1
Azot N2	0,6-7,5
Tlen O2	0-1

4. Źródła powstawania metanu, charakterystyczne reakcje.

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O
CH₃COOH→ CH₄+CO₂
4CH₃OH→3 CH₄+ CO₂+2H₂O

- wydobycie węgla, gazu ziemnego, ropy naftowej,
- hodowla zwierząt domowych,
- pola ryżowe,
- składowiska odpadów i oczyszczalnie ścieków.

5. Wpływ temperatury na przebieg fermentacji beztlenowej.

• psychrofilna - zachodzi w temperaturze otoczenia (poniżej 25°C), trwa min. 70-80 dni, zwykle w szambie, osadniku Imhoffa oraz otwartych basenach fermentacyjnych; powstający biogaz nie jest ujmowany i stanowi zanieczyszczenie atmosfery.

• mezofilna - przeprowadzana w temperaturze 30–40 stopni, trwa około 30 dni, w zamkniętych komorach fermentacyjnych z których ujmowany jest biogaz. Mimo konieczności podgrzewania komory fermentacyjnej, fermentacja mezofilna posiada dodatni bilans energii.

• termofilna – trwa od 15 do 20 dni, zachodzi w temperaturze powyżej 40 stopni w zamkniętych komorach, przy ujemnym bilansie energetycznym.

6. Oznaczanie lotnych kwasów tłuszczowych za pomocą destylacji z parą wodną.

Rozkład soli kwasów lotnych przeprowadza się za pomocą kwasu siarkowego. Uwolnione kwasy lotne oddestylowuje się z parą wodną i oznacza w destylacie przez miareczkowanie roztworem wodorotlenku sodowego.

7. ChZT i zasada oznacznia.

ChZT - chemiczne zapotrzebowanie tlenu. Jest to ilość utleniacza potrzebna na utlenienie związków organicznych i niektórych nieorganicznych, przeliczana na równoważną ilość tlenu [mgO₂/dm³].

Oznaczanie ChZT polega na utlenieniu związków organicznych i niektórych nieorganicznych za pomocą mieszaniny dichromianu potasowego i kwasu siarkowego w podwyższonej temperaturze. Użyty do reakcji nadmiar dichromianu potasowego odmiareczkowuje się siarczanem żelazowo-amonowym wobec ferroiny. Ilość utleniających się związków organicznych jest proporcjonalna do użytego dichromianu.

6 Fe²⁺ + Cr₂O₇^2- + 14 H⁺ → 6 Fe³⁺ + 2 Cr³⁺ + 7 H₂

8.

9. Zasadowość ścieków.

Określana jest zawartością w nich związków zasadowych. Związki te mogą być zobojętnione do określonego, umownego pH za pomocą kwasów mineralnych. Zasadowość w ściekach powodują najczęściej wodorowęglany. Zasadowość może być zasadowością wobec fenoloftaleiny, która występuje wówczas, gdy pH ścieków przekracza 8,3. Może być także zasadowość ogólna spowodowana związkami wywołującymi pH większe od 4,5.

Zasadowość ścieków oznacza się za pomocą: 1. miareczkowania wobec wskaźników: -zasadowość wobec fenoloftaleiny, - zasadowość ogólna. 2. miareczkowania potencjometrycznego: -zasadowość do pkt miareczkowania pH=8,3, -zasadowość do pkt miareczkowania pH=4,5.

Osad czynny

1. Budowa i powstawanie kłaczków osadu czynnego.

Osad czynny jest kłaczkowatą zawiesiną złożoną głównie z bakterii, a także pierwotniaków - orzęsków i wiciowców oraz wrotków i niektórych grzybów. Kłaczki osadu czynnego powstają na skutek wydzielenia przez komórki bakteryjne otoczek śluzowych, w wyniku czego powstają regularne formy - zooglea ramigera. Kłaczki występujące w osadzie czynnym swobodnie pływają w oczyszczanym ścieku. Na kłaczek w 70% składają się bakterie przytwierdzone do nośnika - który stanowi pozostałą część kłaczka. Struktura kłaczka jest wynikiem zlepiania się mikroorganizmów wytwarzanym przez nie śluzem. Kłaczek jest kolonią bakterii jednego rodzaju w strefach brzegowych, natomiast w części centralnej występują różne rodzaje.

2. Znaczenie poszczególnych grup organizmów w oczyszczaniu ścieków.

• bakterie organotroficzne - Bacillus pełnią role enzymatyczne, rozkładają związki organiczne.

• bakterie hemolitotroficzne - enzymatyczne, rozkładają związki azotu i fosforu w ściekach.

• bakterie siarkowe - rozkładają związki siarki (H₂S do S).

• bakterie nitkowate - uczestniczą w procesie tworzenia kłaczków dzięki wytwarzaniu śluzu pozakomórkowego.

• grzyby - rozkładają związki organiczne.

• organizmy wyższe (pierwotniaki i orzęski) - odmładzają inne bakterie.

4. Zasada oznaczania koncentracji osadu czynnego.

Polega na odsączeniu osadu czynnego (jako zawiesiny) oraz przemyciu, wysuszeniu odsączonej próbki. x=(a-b)∙100/V [mg/dm³] a-masa tygla z osadem, b-masa tygla bez osadu, V-objętość badanej próbki.

5. Zasada oznaczania indeksu objętościowego (Indeks Mohlmana).

Indeks Mohlmana - zdolność do zagęszczania osadu czynnego określa się najczęściej oznaczając tzw. indeks osadu. Indeks objętościowy osadu oznacza objętość w cm³ zajmowaną przez 1g. osadu czynnego, po 30-minutowym odstaniu mieszaniny ścieków z osadem czynnym, pobranej z komory napowietrzania. Zasada oznaczania polega na określeniu stosunku objętości osadu do jego masy.

6. Oznaczanie tlenu rozpuszczonego metodą Winklera.

Tlen rozpuszczony w wodzie lub w ściekach utlenia w środowisku alkalicznym wodorotlenek manganowy do związków manganu czterowartościowego. W kwaśnym środowisku jony manganu czterowartościowego wydzielają z jodku potasu wolny jod w ilości równoważnej zawartości tlenu w badanej próbce. Wydzielony jod oznacza się miareczkowo tiosiarczanem sodowym w obecności skrobi. Z ilości użytego tiosiarczanu oblicza się zawartość tlenu.

2Mn²⁺ + 4 OH → 2 Mn(OH)₂
2Mn(OH)₂ + O₂ → 2 MnO(OH)₂
MnO(OH)₂ + 4 H⁺ → Mn⁴⁺ + 3 H₂O
Mn⁴⁺ + 2 J^- → Mn²⁺ + J₂

7. BZT, oznaczanie BZT₅

BZT- biochemiczne zapotrzebowanie tlenu. Określa ilość tlenu w mg/dm³ potrzebną na utlenienie biochemicznego związku organicznego w wodzie lub ściekach na drodze biochemicznej w warunkach aerobowych w temperaturze 20°C.

Oznaczanie BZT₅ polega na określeniu zużycia tlenu na procesy mineralizacji związków organicznych w temperaturze 20°C w czasie inkubacji próbki ścieków, odpowiednio rozcieńczonych wodą specjalnie przygotowaną (wodą do rozcieńczeń), która stanowi źródło tlenu dla mikroorganizmów prowadzących proces mineralizacji.

8. Przygotowanie nadltenowej wody do rozcieńczeń.

Do odpowiedniej ilości wody destylowanej dodać na każdy 1dm³ wody po 1cm³ roztworów: bufor fosforanowy, siarczanu magnezu, chlorku wapnia i chlorku żelaza, dobrze wymieszać i sprawdzić odczyn, który powinien wynosić 7,2. Jeżeli woda nie ma takiego pH, należy skorygować, dodając roztworu kwasu siarkowego lub wodorotlenku sodu. W celu nasycenia wody tlenem przepuszczać przez nią powietrze w ciągu kilku godzin. Butlę z wodą należy pozostawić w ciemnym miejscu w ok. na 5-7 dni celem stabilizacji. Zawartość tlenu w tak przygotowanej próbce powinna wynosić 8-9 mg/dm³ O₂, BZT₅ nie powinno przekraczać 0,5 mg/dm³ O₂ .

9. Schematy funkcjonalne urządzeń do oczyszczania metodą osadu czynnego.

Ścieki surowe → oczyszczanie wstępne na kratach i osadniku wstępnym → usuwanie związków organicznych w komorze osadu czynnego → sedymentacja osadów w osadniku wtórnym → dezynfekcja ścieków w komorze kontaktowej → ścieki oczyszczone.