09.04.2022 Tomáš Vítěz Monika Vítězová Biologické čištění odpadních vod Odstranění nutrientů Biologické čištění – aktivační proces bakterie + organická hmota nová buněčná hmota energie voda + plyny zjednodušené schéma rozkladu organické hmoty Biologické čištění – metabolismus Biologické čištění – katabolismus Aerobní respirace • ATP je produkován, substrát je oxidován, • O2 slouží jako terminální akceptor elektronu, • donorem elektronu je organická nebo anorganická látka, Oxidace glukózy C6H12O6 + 6 O2 → 38ATP + 6 CO2 + 6 H2O Biologické čištění – katabolismus Glykolýza - univerzální cesta k tvorbě ATP Glykolýza 6-uhlíková glukóza se mění na 3-uhlíkový pyruvát Biologické čištění – katabolismus Aerobní respirace Oxidací 1 molekuly ACoA vzniknou: 2 molekuly CO2 1 molekula ATP 4 molekuly redukovaných koenzymů (NADH) KONEČNÝM AKCEPTOREM ELEKTRONŮ (NADH+H+) je molekulární kyslík v dýchacím řetězci Biologické čištění – katabolismus Fermentace • transformace pyruvátu při absenci konečného akceptoru elektronu, • donorem i akceptorem elektronu je organická látka, • ATP je produkován výhradně fosforylací, • je produkováno málo energie, většina je součástí fermentačních produktů, fermentace glukózy C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 striktní anaerobové – Clostridium sp., metanogeny fakultativní anaerobové – Pseudomonas sp. aerotolerantní anaerobové – Lactobacillus sp. Biologické čištění – anabolismus • biosyntéza, energii spotřebovávající proces → nový buněčný materiál, • z 3000 µmol ATP → 100 mg sušiny buněk, • energie spotřebována pro tvorbu • proteinů, • lipidů, • polysacharidů, • purinů a pyrimidinů • většina prekurzorů (aminokyseliny, mastné kyseliny, monosacharidy) jsou získávány v průběhu glykolýzy a dalších metabolických drah, Biologické čištění – anabolismus • anabolismus může být měřen přímo, jako produkce biomasy • platí : Y = ΔX 𝑉 ΔS 𝑚𝑒𝑡 Y - produkce biomasy ΔXv – produkovaná buněčná hmota (org. hmota kalu) ΔSmet – metabolizované CHSK (organická hmota, substrát). V literatuře je často uváděno: Y = 0,45 g org. hmoty kalu na 1 g spotřebovaného CHSK Tato hodnota je často používána pro návrh aerobních systémů Biologické čištění – klasifikace podle metabolismu Typ látkové výměny Zdroje energie Donor elektronů/vodíku Zdroje uhlíku Organizmy Chemoorganoheterotrofní organické sloučeniny organické sloučeniny, např. C6H12O6, C2H5OH, CH3OH organické sloučeniny živočichové, houby, většina bakterií Chemoorganoautotrofní organické sloučeniny, např. CH3COOH, CH3OH, HCOOH CO2 metanogenní archaea Chemolitoheterotrofní anorganické sloučeniny anorganické sloučeniny a molekuly, např. H2 organické sloučeniny H2 oxidujícící bakterie, metanogenní archaea Chemolitoautotrofní anorganické sloučeniny a molekuly, např. NH + 4, NO2 -, S2-, H2S, H2 CO2 nitrifikační a sulfurikační bakterie, H2 oxidujícící bakterie, metanogenní archaea Fotoorganoheterotrofní světelné záření organické sloučeniny organické sloučeniny zelené a purpurové bakterie Fotoorganoautotrofní organické sloučeniny CO2 zelené a purpurové bakterie Fotolitoheterotrofní světelné záření anorganické sloučeniny a molekuly, např. H2S, S organické sloučeniny bakterie (purpurové, sirné), některé řasy Fotolitoautotrofní anorganické sloučeniny a molekuly, např. H2O, H2S, H2,S CO2 rostliny, řasy, sinice, některé bakterie Biologické čištění – kinetika růstu • reprodukce prokaryotních mikroorganismů – převážně binárním dělením, • růst mikrobiální populace = růst počtu buněk, • rychlost růstu – zvýšení počtu buněk za čas, • generační doba - čas, za který se zdvojnásobí počet buněk v daném objemu kultivačního media; • uzavřená (batch) x kontinuální kultivace Biologické čištění – růstová křivka Biologické čištění – exponenciální růst Biologické čištění – kontinuální kultivace • kultivace mikrobiální kultury dlouhodobě v logaritmické fázi růstu, • substrát kontinuálně přiváděn do reaktoru, který obsahuje mikroorganismy, Biologické čištění – kontinuální kultivace Biologické čištění – kontinuální kultivace Biologické čištění – kontinuální kultivace Biologické čištění – kontinuální kultivace Biologické čištění – kinetika růstu Biologické čištění – kinetika růstu Biologické čištění – kinetika růstu Faktory ovlivňující růst mikroorganismů • pH • čištění vod obecně neutrální pH • ovlivňuje zastoupení mikroorganismů, • ovlivňuje formu látek, vliv pH na nitrifikaci Biologické čištění – kinetika růstu Faktory ovlivňující růst mikroorganismů • koncentrace kyslíku prostředí koncentrace rozpuštěného kyslíku [mg/l] Redoxní potenciál [mV] procesy Forma kyslíku anaerobní 0 méně než -300 anammox poly P metanogeneze O2 = 0 NO2 - NO3 -= 0 anoxické 0 – 1 +50 až -200 denitrifikace O2 = 0 NO2 - NO3 aerobní 1,5 – 2,0 +50 až +300 nitrifikace oxidace Corg O2 , NO2 -, NO3 - Biologické čištění – aktivační proces - realizováno aktivačním procesem, - biologická oxidace organického substrátu, - biologická oxidace amoniakálního dusíku – nitrifikace, - biologická redukce dusitanů a dusičnanů na plynný dusík – denitrifikace, - biologický rozklad fosforu, nebo jeho chemické srážení, mikroorganismy v aktivačním procesu, organismy zdroj uhlíku zdroj energie prostředí akceptor elektronu heterotrofní organické látky organické látky aerobní kyslík anoxické nitrát, sulfát anaerobní organické látky autotrofní CO2 amoniakální dusík H2S, Fe+2 aerobní kyslík Biologické čištění – oxidace organického substrátu Potřeba nutrientů Dusík iN = 0,04 – 0,05 (g N / g BSK5) Fosfor iP = 0,01 – 0,02 (g P / g BSK5) Příklad složení odpadní vody : BSK5 - 400 g/m3, TKN 60 g/m3, TP 12 g/m3 Koncentrace na odtoku při 100% odstranění BSK5 TKNodt = TKNpří - iN ∙ BSK5,in = 60 – (0,045 ∙ 400) = 46,5 gN / m3 TPodt = TPpří - iP ∙ BSK5,in = 12 – (0,015 ∙ 400) = 7,5 gP / m3 Nutné další čištění !!!! Biologické čištění – odstraňování dusíku Biologické čištění – odstraňování dusíku AmoA, ammonia monooxygenase; Hao, hydroxylamine oxidoreductase; Hdh, hydrazine dehydrogenase; Hzs, hydrazine synthase; Nap, periplasmic nitrate reductase; Nar, cytoplasmic nitrate reductase; NirK, copper nitrite reductase; NirS, cytochrome cd1 nitrite reductase; Nor, nitric oxide reductase cytochrome or quinol- dependent; NosZ, nitrous oxide reductase; NrfA, ammonia-forming dissimilatory nitrite reductase; Nxr, nitrite oxidoreductase 16S rRNA Gene Tree of Proteobacteria Proteobacterial Classes Major metabolisms Chemolithotrophy Bacillus Nitrosococcus Thermochromatium Acidithiobacillus Beggiatoa Pseudomonas Vibrio Escherichia Gamma Methylobacter Gallionella Nitrosomonas Methylophilus Derxia Ralstonia Beta Spirillum Rhodocyclus Thiobacillus Neisseria Methylobacterium Nitrobacter Rhodopseudomonas Beijerinckia Alpha Paracoccus Azotobacter Rickettsia Acetobacter Mariprofundus Campylobacter Zeta Sulfurimonas Thiovulum Epsilon Wolinella Desulfosarcina Desulfovibrio Delta Myxococcus Nitrospina Anoxygenic phototrophy Nitrogen fixation Sulfate reduction Methylotrophy Sulfur compounds (H2S, S0, etc.) Ferrous iron (Fe2) Ammonia (NH3) or nitrite (NO2 ) Hydrogen (H2) Biologické čištění – odstraňování dusíku Nitrifikace - oxidace amoniakálního dusíku na dusitany a dusičnany, Probíhá ve dvou stupních: - oxidace amoniakálního dusíku na dusitany - amoniakální dusík oxidující bakterie (AOB)  a, b, g a d proteobakterie, - Nitrosomonas sp., dominantní, - autotrofní bakterie, oxiduje amoniakální dusík na dusitany, - další AOB Nitrospira, Nitrococus, Nitrosolobus, Nitrosovibrio, Biologické čištění – odstraňování dusíku Nitrifikace - oxidace amoniakálního dusíku na dusitany a dusičnany, - obecná reakce      HNOOHOHNH OHOHNHeHONH ehydroxylazamonoxygena amonia 5 22 222 22 min 23 kJGOHHNOONH tázaoxidoreduk ehydroxyla 61922232 ´0 22min23    Biologické čištění – odstraňování dusíku Nitrifikace oxidace hydroxylaminu oxidace ammoniaku redukce kyslíkuzdroj: Pearson Education, Inc., upraveno Vítěz Biologické čištění – odstraňování dusíku Nitrifikace - oxidace dusitanů na dusičnany - dusitany oxidující bakterie (NOB)  a proteobakterie, obligátně autotrofní bakterie - výjimka Nitrobacter sp., heterotrofní, přítomnost (acetátu, formiátu) v odpadních vodách dominantní, - další AOB Nitrospina, Nitrospira, Nitrococus, kJGNOONO tázaoxidoreduk nitrite 9622 0 2 32    Biologické čištění – odstraňování dusíku Nitrifikace oxidace dusitanu redukce kyslíku zdroj: Pearson Education, Inc., upraveno Vítěz Biologické čištění – odstraňování dusíku Nitrifikace - energeticky náročný proces, malý zisk energie !!! - většina organismů chemolitotrofních a aerobních, - některé organismy chemoorganotrofní nebo mixotrofní, - konečným akceptorem vodíku a elektronů je molekulový kyslík, - růst nitrifikačních bakterií je velice pomalý, Biologické čištění – odstraňování dusíku Nitrifikace - optimální pH 7,2 – 7,8 (Nitrobacter sp.), - optimální teplota 25 – 30 °C, - pokles koncentrace nitrifikantů s růstem C:N, (obvykle 3-5), - koncentrace rozpuštěného kyslíku 2 mg/l, - teoretická potřeba kyslíku 4,6 mgO2/mg amoniakálního dusíku, - ( 3,45 mg + 1,15 mg) Biologické čištění – odstraňování dusíku Nitrifikace - kinetika - růstová rychlost Nitrobacter vyšší než Nitrosomonas, - limitující je tedy oxidace amoniakálního dusíku na dusitany, µ - specifická růstová rychlost [dny] µmax - maximální specifická růstová rychlost [dny] NH4 + - koncentrace amoniakálního dusíku [mg/l] Ks – saturační konstanta pro amoniakální dusík [mg/l]        4 4 max NHK NH s  Biologické čištění – odstraňování dusíku Nitrifikace - kinetika - růstová rychlost nitrifikačních mikroorganismů, zahrnující koncentraci substrátu, rozpuštěný kyslík, teplotu a pH, µmax - maximální specifická růstová rychlost [dny], typicky 0,14-0,84, NH4 + - koncentrace amoniakálního dusíku [mg/l] Ks – saturační konstanta pro amoniakální dusík [mg/l], 0,4 DO - koncentrace rozpuštěného kyslíku [mg/l] K0 – saturační konstanta pro kyslík [mg/l], 0,15 – 2 mg/l pHopt – 7,2 Biologické čištění – odstraňování dusíku Nitrifikace – minimální doba zdržení - funkce růstové rychlosti nitrifikačních mikroorganismů, µn - specifická růstová rychlost nitrifikačních mikroorganismů [dny], Růstová rychlost - nitrifikační mikroorganismy 0,14 - 0,84 limitní pro návrh - heterotrofní mikroorganismy 4,32 – 9,12 nμ 1 zdrženídobaminimální  Biologické čištění – odstraňování dusíku Nitrifikace – stáří kalu x teplota Biologické čištění – odstraňování dusíku Nitrifikace – faktory pro kontrolu nitrifikace • poměr amoniak / dusitany • koncentrace kyslíku • saturační konstanta kyslíku K0 = 1,3 mg/L • pro správné fungování nitrifikace K0 ≥ 2,0 mg/L • teplota a pH • teplotní optimum 25 – 30 °C, pH 7,5-8,5 • BSK5 / TKN • u oběhové aktivace > 5 • toxicita • kovy (Ag, Hg, Cu, Ni, Cr, Zn), vyčerpání kyslíku, fenoly, thiomočovina Biologické čištění – odstraňování dusíku Denitrifikace - všechny produkty redukce dusičnanů jsou plyny, - hlavní zdroj biologického N2, - organotrofní, litotrofní, fototrofní, - zdroj uhlíku organické látky !!! 2223 NONNONONO reduktáza oxidenitrous reduktáza oxidenitric reduktáza nitrite reduktáza nitrate       Biologické čištění – odstraňování dusíku Denitrifikace – metabolická diverzita - v případě přítomnosti O2 – aerobní respirace, - v případě přítomnosti NO2 - – anaerobní respirace, - může probíhat i fermentace, - Proteobacteria, fakultativní anaerobové, Biologické čištění – odstraňování dusíku Denitrifikace zdroj: Pearson Education, Inc. Nitrate reductase complex Nitratereductase Nitrite reductase Nitratereductase Nitrous oxide reductase Nitriteoxide reductase E. coli Paracoccus denitrificans Pseudomonas stutzeri Biologické čištění – odstraňování dusíku Denitrifikace - přítomnost dusičnanů, - anoxické podmínky, - organické látky – zdroj uhlíku, - pH 7 – 8,5, )(223svitslunce2 deštěkyseléHNONOONOON déšť    Biologické čištění – odstraňování dusíku Denitrifikace - kinetika - růstová rychlost denitrifikačních mikroorganismů, zahrnující koncentraci substrátu, rozpuštěný kyslík a dusičnany, µmax - maximální specifická růstová rychlost [dny] DO - koncentrace kyslíku [mg/l] KDO – saturační konstanta pro kyslík [mg/l] NO - koncentrace dusičnanů [mg/l] KNO – saturační konstanta pro amoniakální dusík [mg/l] S - koncentrace substrátu [mg/l] KS – saturační konstanta substrátu [mg/l] 𝜇d = 𝜇max ⋅ S Ks + S ⋅ DO KDO + DO ⋅ NO KNO + NO Biologické čištění – odstraňování dusíku Anammox - anaerobní amoniak oxidující bakterie, striktně anaerobní, - autotrofní, fixace CO2 – Wood-Ljungdahlova dráha, - Brocadia anammoxidans,(Planctomycetes), dominantní, - nemají peptidoglykan v buněčné stěně, - energeticky výhodný proces, - reakce probíhají v anammoxosomech, - hydrazine - produkt anammox bakterií, kJGOHNNONH 3572 ´0 2224   Biologické čištění – odstraňování dusíku Anammox - anammoxosom zdroj: Pearson Education, Inc. Enzymy NiR nitrite reductase; HH hydrazine hydrolase; HZO hydrazine dehydrogenase; Biologické čištění – odstraňování dusíku Anammox - anammoxosom - organela eukaryotického typu, - lipidy netypické pro bakterie (ladderane lipids), - (cyklobutanové kruhy vázané na glycerol esterovými a eterovými vazbami) - ochrana buňky před toxickými meziprodukty - hydrazin N2H4, - lipidy netypické pro bakterie Biologické čištění – odstraňování dusíku Anammox - anammoxosom Biologické čištění – odstraňování fosforu - komunální odpadní vody obsahují typicky 5 - 20 mg/l Pcelk, (z toho 1-5 mg/l organický, zbytek anorganický) - denní produkce průměrně 1,8 g na obyvatele Možnosti odstraňování fosforu z odpadní vody - chemicky, - srážení, kontrola pH, (ionty kovů) - biologicky - asimilace fosforu mikroorganismy Biologické čištění – odstraňování fosforu zdroj: DWA Landesverband Bayern, Stand 2/2011 Biologické čištění – odstraňování fosforu Chemicky - síran hlinitý, Al2(SO4)3·18 H2O, - chlorid železitý, FeCl3·6 H2O, - síran železnatý,FeSO4·7 H2O, - hlinitan sodný, NaAl(OH)4 - hydroxid vápenatý Ca(OH)2 Biologické čištění – odstraňování fosforu Chemicky - rovnice Fe3+ + HnPO4 3-n ↔ FePO4 + nH+ Al3+ + HnPO4 3-n ↔ AlPO4 + nH+ zdroj: Leibniz Univerität Hannover, 2016; upraveno Vítěz Biologické čištění – odstraňování fosforu Chemicky - přídavek koagulantů, ionty kovů Al+3 a Fe+3, - účinnost 80 – 90 %; dávka koagulantu 50 – 200 mg/l, - účinnost klesá s klesající koncentrací fosforu, - koagulanty na bázi Al+3 mohou inhibovat mikroorganismy, (při dávkách nad 150 mg/l) Biologické čištění – odstraňování fosforu Biologicky - polyfosfát akumulující mikroorganismy (poly P bakterie), - fosfor je akumulován intracelulárně v granulích polyfosfátu, - (granule volutinu) - typický obsah fosforu v biomase 1,5 – 2,5 %hm. v org. sušině, - při biologickém odstranění obsah ↑ na 6 – 8 %hm. v org. sušině, - na odtoku dosahovány hodnoty běžně pod 1 mg/l, Biologické čištění – odstraňování fosforu Biologicky Biologické čištění – odstraňování fosforu Biologicky Biologické čištění – odstraňování fosforu Biologicky – predominantní organismy - Accumulibacter spp. - Acinetobacter spp. - Rhodocyclus spp. - Pseudomonas spp. - Aeromonas spp. Biologické čištění – aktivovaný kal Složení vloček aktivovaného kalu - amorfní struktury tvořené mikroorganismy zabudované do matrice extraceulárních polymerních látek, - proteiny, polysacharidy, huminové kyseliny, uronové kyseliny a DNA - negativní náboj, neutrální pH - velikost vloček kalu 10 μm - stovky µm zdroj : Wagner and Amann (1996) Biomasa (10-20 %) Vlákna, další biologický materiál (10-30 %) Extracelulární polymery (40-60 %) Další, lipidy, … (5-10 %) Nukleové kyseliny (2-5 %) Polysacharidy (10-20 %) Huminové látky (20-30 %) Proteiny (40-60 %) Nielsen 2002, upraveno Biologické čištění – aktivovaný kal Složení vloček aktivovaného kalu Tvorba vloček aktivovaného kalu aerobní heterotrofové CHSK oxidace aerobní autotrofové nitrifikace anoxické, autotrofové denitrifikace anaerobní prostředí odstranění fosforu aerobní zóna anoxická/anaerobní zóna Biologické čištění – aktivovaný kal Biologické čištění – aktivovaný kal Tvorba vloček aktivovaného kalu Biologické čištění – aktivovaný kal mikroorganismy zdroj: Wu et al, 2019, Nature microbiology 1200 vzorků 269 ČOV 23 států 6 kontinentů Biologické čištění – aktivovaný kal mikroorganismy zdroj: Wu et al, 2019, Nature microbiology