Biologiczne oczyszczanie środowiska.

Autor: Anita Walasek, L09; gr.105

Bibliografia: - A. Pajdak- Stós, K. Wiąckowski „Osad czynny”, -B. Kołwzan, W. Grabas, A. Pawełczyk „Podstawy mikrobiologii w ochronie środowiska” - M. Bobrowski „Podstawy biologii sanitarnej”

Środowisko przyrodnicze to powłoka ziemska, w której funkcjonuje życie organizmów; składa się z zewnętrznej części skorupy ziemskiej(z pokrywą glebową), hydrosfery morskiej i lądowej, szaty roślinnej, świata zwierzęcego oraz dolnych warstw atmosfery.

Biologiczne oczyszczanie środowiska to oczyszczanie wody, gleby i powietrza przy pomocy organizmów żywych.

SAMOOCZYSZCZANIE WÓD NA PRZYKŁADZIE RZEKI.

Proces, w którym zanieczyszczona rzeka „asymiluje” substancje ściekowe, a jakość wody ulega stopniowej poprawie, jest tradycyjnie określany jako „samooczyszczanie”. Polega on na włączaniu substancji ściekowych w naturalne obiegi pierwiastków. Uczestniczy w nim szereg mechanizmów, takich jak: rozcieńczanie, adsorpcja, sedymentacja i wreszcie biochemiczny rozkład i mineralizacja. W wyniku adsorpcji rozpuszczone i koloidalne substancje są wiązane przez powierzchnie substratów tworzących dno rzeki(np. kamienie, żwir, łodygi roślin). Z czasem, w zacisznych strefach o ograniczonym mieszaniu, cząstki opadają na dno. Dzięki adsorpcji i sedymentacji odpływająca dalej woda jest już pozbawiona zanieczyszczeń, ale substancje ściekowe nie znikają. Głównym mechanizmem, który je faktycznie eliminuje jest biochemiczny rozkład i mineralizacja. Podstawową rolę odgrywają tu heterotroficzne bakterie i mikroskopijne grzyby, dla których martwa materia organiczna(rozpuszczona oraz w postaci cząstek)stanowi źródło pokarmu. Część zasymilowanych substratów służy jako źródło energii, ulegając przy tym mineralizacji. Pozostała część jest wykorzystywana jako budulec dla produkcji nowej biomasy. Z biomasy tej korzysta liczna rzesza bakteriożerców i detrytusożerców, a te z kolei stanowią pokarm dla konsumentów wyższych rzędów. W ten sposób organiczne substancje ściekowe zostają ostatecznie zmineralizowane przez detrytusowe łańcuchy troficzne. Dotyczy to przede wszystkim frakcji łatwo rozkładalnej. Część substancji trudno rozkładalnych ulega bowiem kumulacji w środowisku, dołączając do wielkiej puli martwej materii organicznej, która podlega bardzo powolnym przemianom. W biologicznych metodach oczyszczania powietrza i gazów wykorzystuje się zdolności powszechnie występujących w naturalnym środowisku mikroorganizmów do biochemicznego przetwarzania (utlenienia) pewnych grup organicznych i nieorganicznych związków chemicznych.

OCZYSZCZANIE BIOLOGICZNE POWIETRZA

Szkodliwe i zapachowe substancje, stanowiące pożywkę dla mikroorganizmów są przekształcane w produkty obojętne dla środowiska : np. CO2, H2O, sole itd. Biochemiczne reakcje zachodzą w warunkach pełnego nasycenia wilgocią oczyszczanego medium . Jako materiał filtrujący - siedlisko różnych kultur bakterii i grzybów, stosuje się złoża pochodzenia roślinnego o dużym ładunku odżywczym : np. kompost, substrat kory, włókno kokosowe oraz inne obojętne materiały wypełniające. Biologiczne oczyszczenie powietrza może być realizowane w następujących instalacjach : BIOFILTRY Nasycony wilgocią strumień gazów przepływa przez wilgotny, organiczny materiał filtrujący, w którym rozwijają się różne kultury mikroorganizmów. Związki szkodliwe są absorbowane, a następnie rozkładane przez mikroorganizmy. BIOPŁUCZKI W kolumnie płuczącej zanieczyszczenia są wypłukiwane i absorbowane w cieczy myjącej, która podlega następnie regeneracji. Siedliskiem mikroorganizmów jest zawiesina roztworu myjącego. ZŁOŻA ZRASZANE Zanieczyszczenia są absorbowane w rozpylanej cieczy, a następnie podlegają procesowi biochemicznego rozkładu w kontakcie z nasyconą mikroorganizmami błoną biologiczną, pokrywającą materiał wypełniający złoże instalacji.

SAMOOCZYSZCZANIE GLEBY

Nadmierna eksploatacja i dewastacja gleby wskutek działalności przemysłowej doprowadziła ją do stanu prawie całkowitej bezużytności. Jest to spowodowane emisją zanieczyszczeń do powietrza jak i wody ponieważ te środowiska przenikają się nawzajem, jak również składaniem odpadów w postaci hałd. W biologicznym oczyszczaniu dochodzi do zmiany struktury chemicznej składników skażenia na skutek naturalnych procesów biologicznych, przebiegających w żywych organizmach (bakterie, grzyby). Proces ten nazywa się biodegradacją i w jej efekcie dochodzi do biotransformacji skażenia w formy mniej toksyczne lub całkowicie obojętne dla środowiska (CO₂ i H₂O).Rekultywacja biologiczna z praktycznego punktu widzenia polega na wykonaniu wszelkich prac mających na celu wytworzenie warstwy gleby, która będzie spełniała dwa podstawowe warunki, będzie aktywna biologicznie oraz bogata w składniki pokarmowe. Z tego względu najczęściej stosuje się metody, które dostarczają glebie odpowiednią ilość substancji organicznych, nawożenie obornikiem lub kompostem. W miejscach, gdzie wystąpiła awaria i proces ten musi być wyraźnie szybszy stosuje sie remediację, czyli zabieg polegający na zaszczepieniu gleby odpowiednimi szczepami bakterii. Proces ten najczęściej stosuje się przy zakażeniu gleby produktami ropopochodnymi. Ważną rolę odgrywają tu pleśnie, grzyby, promieniowce, obleńce, dżdżownice żywiące się obumarłymi cząstkami roślin i zwierząt, drobnoustroje a przede wszystkim bakterie. Mikroorganizmy obecne w glebie rozmnażają się i przetwarzają materię organiczną (mineralizacja), rozkładają zw. organiczne z których składa się świeża materia organiczna: -cukry proste -wielocukry -kwasy organiczne -związki aromatyczne -związki hydrofobowe (tłuszcze i woski) i włączają je w kolejny cykl przemiany materii.

Mineralizacja, nitryfikacja i humifikacji a to swego rodzaju „sposoby” oczyszczania gleby. Mineralizacja- w czasie rozkładu obumarłej materii organicznej w glebie można wyróżnić trzy zasadnicze fazy, które mogą współwystępować, lecz na ogół przechodzą jedna w drugą:

1. Inicjalna faza - obejmuje procesy hydrolizy i utleniania substancji organicznej bezpośrednio po obumarciu żywych organizmów. Największym zmianom ulegają w komórkach związki aromatyczne i składniki białkowe.

2. Faza mechanicznego rozkładu - rozdrobnienie substancji organicznej pod wpływem makro- i mezofauny, jej przemieszczenie i wymieszanie z innymi składnikami gleby.

3. Faza mikrobiologicznego rozkładu - żywe organizmy (mikroflora i mikrofauna) powodują przemianę substancji organicznej w związki nieorganiczne. Wydziela się CO₂, H₂O, NH₃, P (jako fosforany), S (jako siarczany i siarczyny), a także Ca, K, Mg i inne pierwiastki (jako wolne lub związane jony).

Proces mineralizacji zachodzący w warunkach tlenowych nosi nazwę procesu butwienia, dając produkty pełnego utlenienia (CO₂, H₂O, jony Ca²⁺, K⁺, SO₄^2-, PO₄^3-, NO₃^- i inne). Jest on procesem egzotermicznym. Proces mineralizacji przebiegający w warunkach beztlenowych nazywany jest gniciem, a jego produktami są m.in.: CO₂, H₂O, H₂S, CH₄, skatol itp. Warunki nadmiernego uwilgotnienia wskutek ograniczenia dostępu tlenu powodują znaczne zmniejszenie szybkości rozkładu resztek organicznych, które w skrajnych przypadkach podlegają kumulacji w procesie torfo twórczym. Szybkość rozkładu resztek roślinnych uzależniona jest od zawartości ligniny, której udział wpływa hamująco na procesy rozkładu. Najłatwiej ulegają rozkładowi cukry, skrobia i proteiny, najtrudniej zaś lignina, woski i garbniki. Tempo rozkładu tkanek poszczególnych grup roślin rośnie w następującej kolejności:
wrzosy>drzewa iglaste >drzewa liściaste>krzewy liściaste>zioła>trawy>rośliny motylkowe.

Proces humifikacji jest znacznie bardziej złożony niż proces mineralizacji. Humifikacja substancji organicznej łączy się z rozkładem zawartych w nich związków, z syntezą połączeń przez mikroorganizmy, autolizą obumarłych komórek tych organizmów oraz ze zmianami fizykochemicznymi i chemicznymi związków bardziej odpornych na rozkład. Towarzyszą temu procesy polimeryzacji i kondensacji powstających produktów. Proces humifikacji ma charakter przede wszystkim biochemiczny. Istnieją cztery zasadnicze kierunki powstawania związków próchnicznych. Począwszy od klasycznej teorii Waksmana , według której związki próchniczne pochodzą od zmodyfikowanej ligniny, poprzez teorię polifenoli , do teorii kondensacji cukrowo-białkowej.

NItryfikacja jest naturalnym procesem biologicznym, podczas którego bakterie nitryfikacyjne konwertują toksyczny amoniak lub sole amonowe do mniej szkodliwego azotanu. Proces ten odgrywa niezwykle ważną rolę w przyrodzie. Nitryfikacja jest procesem dwuetapowym. W pierwszym etapie bakterie z rodzaju Nitrosomonasprzekształcają amoniak lub sole amonowe do azotynów. W drugim etapie bakterie z rodzaju Nitrobacterprzekształcają azotyny w azotany. Reakcje te przebiegają bardzo szybko, dlatego poziom azotynów nigdy nie jest wysoki. Pierwszy etap nitryfikacji można podzielić na 3 podetapy:
1. Amoniak jest utleniany do hydroksyaminy (NH₂OH) za pomocą enzymu monooksygenazy
NH₃ + O₂ + 2 H⁺+ 2 e^- => NH₂OH + H₂O
2. Hydroskyamina jest utleniania do azotynów
NH₂OH + H₂O => NO₂- + 5H⁺+ 4e^-
3. Elektrony, tlen oraz wolny wodór są przekształcane w wodę
½ O₂ + 2 H⁺+ 2 e^- => H₂O
Sumarycznie cały etap można zapisać następująco: 
NH₃ + 1.5 O₂ => NO₂- + H⁺+ H₂O
W trakcie etapu drugiego procesu nitryfikacji możemy wyróżnić dwa podetapy. Ten etap katalizowany jest odpowiednią oksydoreduktazę. 
1. Azotyny są utleniane do azotanów
NO₂- + H₂O => NO₃^- + 2 H⁺+ 2 e^-
2. Elektrony, tlen oraz protony są przekształcane w wodę
½ O₂ + 2 H⁺+ 2 e^- => H₂O
Sumarycznie cały etap drugi można zapisać następująco: 
NO₂- + ½ O₂ => NO3-
Całkowity proces nitryfikacji można podsumować: 
NH₃ + 2 O₂ => NO₃^- + H⁺+ H₂O
Bakterie nitryfikacyjne należą do grupy bezwzględnych tlenowców. W związku z tym, proces nitryfikacji przebiega w warunkach tlenowych. Oba gatunki bakterii należą do Gram ujemnych. Należą do obligatoryjnych chemolitoautotrofów, czyli ich źródłem energii jest energia chemiczna, donorem elektronów związek nieorganiczny, natomiast źródłem węgla dwutlenek węgla. Nie mogą wykorzystywać materii organicznej jako źródła energii. W celu pozyskania energii utleniają odpowiednio amoniak lub azotyny. Jednakże ilość energii uzyskiwana w wyniku tych reakcji chemicznych jest mała. W związku z tym bakterie te wykształciły mechanizmy, które umożliwiają im przeprowadzenie bardzo wydajnie tych procesów. W wyniku tego uzyskują odpowiednią ilość energii potrzebną do życia. Najlepsze warunki egzystencji zapewnia im życie w kolonii. Bakterie te nie tworzą zarodników. Z tego powodu w trudnych warunkach potrafią przeżyć tylko krótki okres aż do wyczerpania materiałów zapasowych. 
Prawidłowy przebieg procesu nitryfikacji zależy od wielu czynników. Czynniki takie jak dostępność materii organicznej, zawartość wody i tlenu, temperatura i pH gleby wpływają na jakość tego procesu. Ciepłe, wilgotne gleby z dobrym natlenieniem sprzyjają nitryfikacji. Praktycznie, proces ten przebiega w sposób aktywny w miesiącach wiosennych oraz letnich, natomiast ulega spowolnieniu jesienią, a zimą praktycznie nie przebiega. Bakterie nitryfikujące są inhibowane przez kwas azotowy oraz amoniak.

Z kolei oczyszczanie ścieków odbywa się w trakcie różnych procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych, kierowanych i kontrolowanych przez człowieka. Biologiczne metody oczyszczania ścieków można podzielić na metody naturalne i metody sztuczne. Naturalne to irygacje, pola filtracyjne i stawy biologiczne. Z kolei do prowadzenia sztucznych procesów biologicznego rozkładu zanieczyszczeń organicznych wykorzystuje się populacje mikroorganizmów zawieszone w toni wodnej, czyli metody osadu czynnego lub mikroorganizmy tworzące utwierdzoną biomasę, tzn złoża biologiczne. Oczyszczanie biologiczne przebiega zarówno w warunkach tlenowych, niedotlenionych jak i beztlenowych i polega na utlenianiu oraz mineralizacji związków organicznych zawartych w ściekach przy udziale mikro i makroorganizmów. Jedna z form rolniczego wykorzystanie ścieków są pola irygowane. Zakładane na gruntach piaszczystych, przepuszczalnych i suchych lub gliniastych . Pola te dzieli się na działki przy pomocy wałów ziemnych oraz tworzy się sieć nawadniającą i odwadniającą. Na takich polach można sadzić drzewa owocowe i dekoracyjne, oraz rośliny. Dostaniem się ścieków do tego systemu, ścieki powinny być oczyszczone mechanicznie, a przede wszystkim pozbawione tłuszczów i olejów, gdyż te zatykają pory w glebie co utrudnia dostęp powietrza do głębszych warstw gleby. Grunty wykorzystywane do oczyszczania ścieków bez rolniczego ich użytkowania to pola filtracyjne lub gruntowe. Zakładane są tylko na gruntach piaszczystych o odpowiedniej przepuszczalności. Pola filtracyjne składają się z szeregu poletek o wielkości do 0,4 ha otoczonych groblami, w których ułożone są rurociągi lub koryta doprowadzające ścieki na głębokości 1m, w odstępach 10m. Poletka zalewa się warstwą ścieków 5-10 cm w czasie 15 minut i określonych odstępach czasu, 0,5-4 dni. Ścieki wsiąkają w grunt i oczyszczone odpływają drenami. Mechanizm oczyszczania uzyskujemy na drodze biochemicznego utleniania zanieczyszczeń. Na ziarnach piasku znajduje się cienka warstwa błony biologicznej, która adsorbuje związki organiczne zawarte w ściekach. Powietrze zawarte w porach złoża ulega wymianie podczas każdego zalania poletka. Zaletami pól filtracyjnych jest prostota urządzeń, łatwość obsługi i łatwość oczyszczania natomiast znajdują one zastosowanie jedynie do oczyszczanie niewielkich ilości ścieków, a efektywność procesu znacznie obniża sie w zimie. Stawy biologiczne są naturalnymi lub sztucznymi zagłębieniami terenu. Ścieki doprowadzane do stawów są mineralizowane, oczyszczanie powodują organizmy znajdujące sie w stawie, natomiast sole mineralne są wykorzystywane przez glony. Ścieki doprowadzone do stawów powinny być oczyszczone mechanicznie, by nie zawierały szkodliwych zawiesin, które opadając na dno ulegałyby procesowi gnicia i wydzielały do wody szkodliwy siarkowodór oraz amoniak.