występowanie toksycznych sinic

zmiany składu gatunkowego biocenozy

deficyt tlenu

przenikanie światła

biologiczne

chemiczne

fizyczne

zmiany

wzrost produkcji pierwotnej (wzrost biomasy fitoplanktonu, glonów itp.)

wzrost stężenia substancji pokarmowych w wodzie

nadmierne zanieczyszczenie biogenami (azot i fosfor)

Eutrofizacja

co należy robić?

negatywny efekt

wapnem

koagulanty mineralne

strącanie związków fosforu

chemicznymi

nitryfikacja

denitryfikacja

biologicznymi metodami

fosfor

azot

należy je usuwać

Nadmiar pierwiastków biogennych powoduje eutrofizację wód.

Głównym źródłem azotu w ściekach komunalnych jest zazwyczaj metabolizm ludzki.

ścieki socjalno- bytowe - 11 g N /M

Obieg azotu w ściekach

NH₃+H₂0 NH₄⁺ + OH^-

Azot organiczny zaczyna być zostaje przekształcony w azot amonowy podczas przepływu przez sieć kanalizacyjną.

Azot występuje w ściekach w formie rozpuszczonej lub nierozpuszczonej

Dwie fazy:

I: utlenianie azotu amonowego do azotynów

II: utlenianie azotynów do azotanów

Przykłady reakcji amonifikacji

R-NH₂ + H₂O → R-OH + NH₃

R-CHNH₂-COOH + H₂O → R-CO-COOH + 2H⁺ + NH₃

R-CHNH₂-COOH + 2H⁺ → R-CH₂-COOH + NH₃

R-CH₂-CHNH₂-COOH → R-CH=CH-COOH + NH₃

wzrost zasadowości spowodowany amonifikacja wynosi 3,57 g CaCo3/g N

C₁₀H₁₉O₃N + 12,5O₂ → 9CO₂ + 7H₂O + NH₄HCO₃

C₁₀H₁₉O₃N + 12,5O₂ → 10CO₂ + 8H₂O + NH₃

Amonifikacja - przekształcenie azotu zawartego w związkach organicznych (azot organiczny) do azotu amonowego przy udziale bakterii heterotroficznych

W środowisku naturalnym:

- utlenianie azotu amonowego, rodzaje: Nitrosomonas, Nitrosococcus,

Nitrosospira,

- utlenianie azotynów, rodzaje: Nitrobacter, Nitrospira czy Nitrococcus

Klasyfikacja bakterii nitryfikacyjnych w oparciu o substrat energetyczny:

- azot amonowy (Nitroso-),

- azotyny (Nitro-).

Nitryfikacja

Utlenianie azotu amonowego do azotanów zachodzi z udziałem

chemolitotroficznych bakterii nitryfikacyjnych.

Ogólna reakcja nitryfikacji

NH₄⁺ + 2 O₂ → NO₃^- + 2 H⁺ + H₂O

Szybkość powstawania azotanów (NO₃^-) jest większa niż azotynów (NO₂^-)

głównie Nitrosomonas (I faza) i Nitrobacter (II faza)

I faza: NH4⁺ + 1.5 O₂ → NO₂^- + H₂O + 2 H⁺ = 278 kJ na mol

Nitryfikacja (w ściekach)

II faza: NO₂^- + 0.5 O₂ → NO₃^- = 73 kJ na mol

Utlenienie azotu amonowego do azotanów z włączeniem procesów biosyntezy (uwzględniając bilans energetyczny)

wzrost Nitrobacter

wzrost Nitrosomonas

4 CO₂ + HCO₃^- + NH₄⁺ + H2O → C₅H₇NO₂ + 5 O₂

NH₄⁺ + 10 NO₂^- + 4H₂CO₃ + HCO₃^- → 10 NO₃^- + C₅H₇O₂N + 3 H₂0

13 NH₄⁺ + 23 HCO₃^- → 10 NO₂^- + 8 H₂CO₃ + 3C₅H₇O₂N+ 19 H₂0

Biosynteza biomasy komórki bakterii nitryfikujących

gdzie C₅H₇NO₂ odpowiada podstawowym składnikom biomasy bakterii.

NH₄ ⁺ + 1.83 O₂ + 1.98 HCO₃^- → 0.021 C₅H₇NO₂ + 1.041 H₂O + 0.98 NO₃^- + 1.88 H₂CO₃

Denitryfikacja

U niektórych gatunków Nitrobacter stwierdzono obecność oksydoreduktazy azotynowej.

Enzym ten w warunkach tlenowych katalizuje reakcję utleniania

azotynów do azotanów, natomiast przy niedoborze tlenu - redukcję azotanów.

Wpływ stężenia rozpuszczonego tlenu i obecności

związków organicznych na II fazę nitryfikacji

Obecność oksydoreduktazy jest powodem, że pewne szczepy Nitrobacter, które w warunkach tlenowych utleniają azotyny do azotanów, w anoksycznych (niedobory tlenu) mogą redukować azotany do azotynów, amoniaku, azotu cząsteczkowego, a w szczególności do tlenków azotu

Badania laboratoryjne wykazały iż przy stężeniu tlenu 0,4 mg O₂ /dm3 straty azotu wynoszą 14 %, zaś przy stężeniu 0,2 mg O₂ /dm3 - 60%

W oczyszczalni ścieków jeśli zaszło niezrównoważone utlenienie azotu amonowego do azotanów mówimy o „równoczesnej nitryfikacji i denitryfikacji” lub „tlenowej deamonifikacji”

Jeśli powstają tlenki azotu lub azot cząsteczkowy więc ubytek azotu amonowego oraz powstawanie azotynów nie są zrównoważone - tzw. straty azotu (dla mikrobiologów)

Utlenianie azotu amonowego przez Nitrosomonas zachodzi podczas dwóch reakcji z wytworzeniem hydroksyaminy jako produktu pośredniego

NH₂OH + H₂O → NO₂^- + 4 e^- + 5 H⁺

oksydoreduktaza hydroksyloaminowa (HAO)

monooksygenaza amonowa (AMO)

NH₄⁺ + 0.5 O₂ + 2 e^- → NH₂OH + H⁺

(BZT₅/N_org <2 )

jeśli mniejszy należy dodać węgla

stosunek BZT₅/N_NO3 > 3,5

optymalny zakres pH 6,5 - 7,5

w zależności od pH środowiska powstają różne produkty

odczyn

rodzaju źródła węgla dostępnego w podłożu

duże stężenie działa inhibitująco na wzrost bakterii

Stężenie azotynów

poziom reduktaz spada do zera przy różnym stężeniu tlenu

azotanowa (4 mg O₂ /dm³), azotynowa (2 mg O₂/dm³) tlenku azotu (0,25 mg O₂/dm³)

w zależności od gatunku inhibitujący wpływ tlenu jest różny

Stężenie tlenu

Zdolność do prowadzenia denitryfikacji ma ok. 60 % bakterii heterotroficznych

Azotany są redukowane do azotu gazowego w reakcjach następczych przy udziale reduktaz (azotynowej, tlenku i podtlenku azotu)

Denitryfikacja to proces oddychania beztlenowego, gdzie akceptorem protonów są jony azotanowe, azotynowe, tlenek lub podtlenek azotu.

Z 70 szczepów bakterii, 47 szczepów - rodzaj Pseudomonas, 13 - Proteus,

5 - Agrobacterium, 6 - Alcaligenes.

Bakterie wykorzystywane do oczyszczania ścieków: Pseudomonas, Bacillus,

Alcaligenes, Achromobacter, Arthrobacter, Flavobacterium, Moraxella, Mycobacterium, Chromobacterium

Dysymilacyjna redukcja azotanów w warunkach beztlenowych lub anoksycznych, tj. przy braku tlenu i w obecności azotanów, jest nazywana denitryfikacją.

Szlak asymilacyjny: reduktaza azotanowa typu B (konstytutywna),

dysymilacyjnym: reduktaza azotanowa typu A (indukcyjna).

Redukcja:

- do azotu amonowego - szlak asymilacyjny;

- do tlenków azotu i azotu cząsteczkowego - oddychanie azotanowe, czyli

redukcja dysymilacyjna.

Bakterie nitryfikacyjne ( I i II fazy) wykazują fizjologiczne zróżnicowanie

• 4.33 gO₂ jest zużywane

• zmniejszenie zasadowości 7.15 g CaCO₃

• 0.15 g nowych komórek powstaje

• 0.08 g nieorganicznego węgla jest zużywane

Dla 1 g NH₃ utlenienia do NO₃^-

• temperatury (im zimniej tym wolniej);

• wieku osadu (8 - 10 dni);

- stężenia tlenu rozpuszczonego (>2 mgO₂ /dm³⁾;

• pH ścieków (7,5 - 8,5);

• zasadowość ścieków (poniżej 50 g CaCO₃/m³ - inhibicja);

- stężenia substratów

• stężenia produktów

• występowania inhibitorów

Proces nitryfikacji zależy od:

Rodzaj substancji organicznych w podłożu

Czynniki wpływające na denitryfikację

drobnocząsteczkowe kwasy organiczne

kwas octowy

metanol

wewnątrzkomórkowe materiały zapasowe

związki organiczne

endogenne

zewnętrzne

polihydroksykwasy

alkohole

Źródło węgla organicznego w procesach denitryfikacji

Bakteria ta przekształca azot amonowy w azot cząsteczkowy w warunkach tlenowych bez kumulacji azotynów jako produktów pośrednich

O₂→ H₂O

NO₂^-→N₂O→N₂

NH₄⁺→N₂OH→NO₂^-

enzymy te działają w obecności tlenu, więc bakterie denitryfikujące mogą wykorzystywać azotany i tlen jako akceptory elektronów

Denitryfikacja aerobowa

Fosfor

Część tworzy z kationami Ca. Mg, Al lub Fe trudno rozpuszczalne

fosforany sedymentujące do osadów dennych. W warunkach

beztlenowych fosforany mogą być z nich uwalniane w reakcjach

wymiany z siarczkami lub siarkowodorem.

Część fosforanów uwalnianych z organicznych związków fosforu jest reasymilowana w procesach biochemicznych.

Najważniejsze są fosforany: ortofosforany, polifosforany i fosforany organiczne.

Poszczególne formy (tj. fosforany, fosfor organiczny, fosforowodory) są w różnym stopniu przyswajalne przez organizmy; ulegają wzajemnej konwersji w reakcjach enzymatycznych

Występuje w formie związków mineralnych i organicznych (w stanie rozpuszczonym, koloidalnym) oraz w zawiesinach i w osadach dennych.

Zawartość fosforu: 2-3% s.m. komórki bakterii, 0,4-4,5% s.m. pleśni oraz

0,8-2,6% s.m. drożdży.

Niektóre gatunki → zdolność zwiększonego pobierania fosforanów i ich

wewnątrzkomórkowego magazynowania w jako polifosforany (poli-P).

Polifosforany - kumulują się w różnych miejscach komórki bakterii, np. jako

ziarna wolutyny w cytoplazmie

Stanowią rezerwę fosforanów komórkowych, dzięki temu w komórce może

następować fosforylacja ADP do ATP, oraz mogą służyć jako źródło fosforu

do budowy struktur komórkowych.

W komórkach mogą być gromadzone:

- cykliczne skondensowane metafosforany Me_nP_nO_3n (n wynosi 3 lub 4),

- liniowe skondensowane polifosforany Me_n+2P_nO3_n+1 (gdzie n = 10⁴),

- usieciowane skondensowane polifosforany.

Fosfor - magazynowanie polifosforanów przez mikroorganizmy

Źródłem skondensowanych polifosforanów są detergenty, które ulegają hydrolizie podczas transportu do oczyszczalni

Fosfor ogólny - ortofosforany (50-70%), polifosforany, fosfor organiczny (niskocząsteczkowe i organicznie związane polifosforany

Schemat obiegu fosforu w oczyszczalni ścieków

Mechanizm ten jest obecnie powszechnie wykorzystywany w oczyszczalniach ścieków.

(głównie w wodach powierzchniowych, w których okresowo może dochodzić do niedoboru fosforanów)

- nadmierna kompensacja fosforanów występująca po okresie niedoboru fosforanów, kiedy fosfor ponownie pojawia się w podłożu w dużym stężeniu.

- zwiększone biologiczne usuwanie fosforanów, które uzyskuje się w warunkach beztlenowo-tlenowych - w fazie tlenowej wzmożone pobieranie fosforu

Mechanizmy odpowiedzialne za gromadzenie się polifosforanów

- wzmożone pobieranie fosforanów w warunkach okresowego

ograniczania stężenia azotu lub siarki w podłożu;

- nadmierna kompensacja fosforanów występująca po okresie niedoboru fosforanów, kiedy fosfor ponownie pojawia się w podłożu w dużym stężeniu.

Mechanizmy odpowiedzialne za gromadzenie się polifosforanów

- nadmierna kompensacja fosforanów występująca po okresie niedoboru fosforanów, kiedy fosfor ponownie pojawia się w podłożu w dużym stężeniu.

Mechanizmy odpowiedzialne za gromadzenie się polifosforanów

- wzmożone pobieranie fosforanów w warunkach okresowego

ograniczania stężenia azotu lub siarki w podłożu;

Mechanizm ten jest obecnie powszechnie wykorzystywany w oczyszczalniach ścieków.

- zwiększone biologiczne usuwanie fosforanów, które uzyskuje się w warunkach beztlenowo-tlenowych - w fazie tlenowej wzmożone pobieranie fosforu

przekształcanie ich w substancję zapasową kwas poli-β-hydroksymasłowy (PBH)

pobieranie łatwo przyswajalnych substratów

kosztem energii z rozkładu polifosofranów z wydzieleniem ortofosforanów do środowiska

Schemat przemian wewnątrzkomórkowych u bakterii kumulujących fosfor w warunkach beztlenowych

Na przyłączenie 2 reszt kwasu octowego komórka zużywa 1 ATP

Bakterie kumulujące fosfor zamieniają jedną substancję zapasową w drugą.

Reszty ortofosforanów wydalane są poza komórkę.

Energia czerpana jest z rozkładu polifosforanów znajdujących się w cytoplazmie

Lotne kwasy tłuszczowe (gł. octany) są przekształcane w poli-β-hydroksymaślany (PHB)

W warunkach beztlenowych

magazynowanie energii w postaci polifosforanów

pobieranie fosforanów ze środowiska w ilości większej niż wcześniej wydzielona

Utlenianie zmagazynowanego PHB i substancji organicznych pobranych z zewnątrz

Schemat przemian wewnątrzkomórkowych bakterii kumulujących fosfor w warunkach tlenowych

Warunki beztlenowe umożliwiają intensywny rozwój w warunkach tlenowych

1 g kwasu octowego wiązanego w warunkach beztlenowych - w warunkach tlenowych wiązane jest 0,1 P/m3

Czyli w cyklu beztlenowo-tlenowym zysk energetyczny wynosi 10 ATP

Utlenienie 2 reszt kwasu octowego wyzwala 11 ATP

Magazynowanie energii w postaci polifosforanów

Pobieranie fosforu z zewnątrz komórki

Utlenianie skumulowanych reszt kwasu octowego zmagazynowanych w PHB z wydzieleniem energii.

Warunki tlenowe

Biologiczne usuwanie fosforu w wyniku nadmiernego pobierania

Przy wyższym stosunku konieczne jest wzbogacenie ścieków w związki organiczne lub chemiczne strącanie fosforu

Usuwanie fosforu jest możliwe jeśli stosunek P_og/BZT₅ w ściekach surowych nie przekracza 0,05 gP /g BZT₅

Wykorzystując osad czynny z biologiczną kumulacją fosforu, udział fosforu wynosi 3-4%, czasem nawet 8%.

W klasycznym osadzie czynnym zawartość fosforu wynosi 1,5 %

---