WYKŁAD I
biotechnologia to:
„ integracja nauk przyrodniczych i
inżynieryjnych w celu zastosowania organizmów, komórek i ich części oraz molekularnych analogów
do pozyskania dóbr i usług "
Zgodnie z definicją przyjętą przez OECD (Organisation for Economic Co-Operation and Development - Organizację Wzajemnej Współpracy Gospodarczej) - biotechnologię należy rozumieć jako:
i zastosowanie metod inżynieryjnych
jdo obróbki materiałów czynnikami
i biologicznymi w celu pozyskania dóbr i
usług(ang good and services) "
Biotechnologia w ochronie środowiska jest to integracja wiedzy przyrodniczej i technicznej w celu:
1 ochrony elementów środowiska (wód. gleb oraz powietrza) przed zanieczyszczeniem.
2 odnowy zdegradowanych elementów środowiska (wód powierzchniowych i gruntowych oraz gleb),
3 biotechnologii dla zrównoważonego rozwoju.
Biotechnologie w ochronie środowiska:
-Technologie ,,u końca rury”[- oczyszczanie ścieków-unieszkodliwianie odpadów-ochrona atmosfery]
-Bioremediecja(techniki remediacji gruntów)
-Technologie na rzecz zrównoważonego rozwoju(-usuwanie i odzyskiwanie metali- biodegradowalne plastiki-biopaliwa)
Przedmiotem technologii w ochronie środowiska są procesy i operacje jednostkowe.
Proces jest definiowany jako zjawisko, podczas którego następuje przemiana zanieczyszczeń (substratów) w produkty tj. związki nie stanowiące zagrożenia środowiskowego, bądź stanowiące
zagrożenie mniejsze.Np.
Złożone związki organiczne występujące w
ściekach (substrat) są przekształcane:
- w warunkach tlenowych do C02 i H20 r
- w warunkach beztlenowych - do CH4 i C02
Operacje jednostkowe
są to czynności głównie natury fizycznej, które obok procesów składają sie na ciąg technologiczny(przepływ płynów, mieszanie, sedymentacja, wirowanie czy filtracja).
Do oczyszczania ścieków wykorzystuje się mieszane populacje mikroorganizmów.
Mieszane populacje są zdolne do wykorzystywania:
- różnego rodzaju substratów (substancje
organiczne, amoniak),
- akceptorów elektronów (tlen, azotany),
co umożliwia rozwój zintegrowanych systemów usuwania ze ścieków substancji organicznych, azotu i fosforu.
Skład gatunkowy mikroorganizmów jest
kształtowany przez:
-rodzaj ścieków
-warunki operacyjne procesu
-czynniki środowiskowe
Biotechnologie w ochronie środowisko Ścieki jako substrat energetyczny i wzrostowy
Cel oczyszczania ścieków
Oczyszczanie ścieków polega na eliminacji (usunięciu). w warunkach tlenowych lub beztlenowych, substancji organicznych oraz azotu i fosforu przy udziale mikroorganizmów, które
wykorzystują składniki ścieków jako substraty energetyczne i wzrostowe.
W ściekach zdolność i tempo usuwania związków organicznych zależy od ich:
< podatności na biodegradacje,
< rozpuszczalności.
Związek jest łatwo rozkładamy wówczas, gdy może być wykorzystywany przez mikroorganizmy jako jedyne źródło węgla i energii. Jego rozkład do dwutlenku węgla zachodzi bez konieczności adaptacji organizmów. Szybkość rozkładu w wodach naturalnych Jest porównywalna z szybkością rozkładu w oczyszczalniach ścieków.
Do takich należą, niskocząsteczkowe kwasy organiczne, aminokwasy, peptydy.
Kryterium rozpuszczalności związków
organicznych występujących w ściekach jest związane z wielkością cząsteczek cząstki ośrednicy
-1um stanowią zawiesiny,
- 1um-10-3um - substancje koloidalne
-10-2um- substancje rozpuszczone.
Związki wielkocząsteczkowe nie mogą być pobierane przez mikroorganizmy.
Podstawowe komponenty organiczne
występujące w ściekach komunalnych stanowią:
- białka od 40 do 60%,
- węglowodany od 25 do 50%,
- lipidy ok. 10%.
Należą one do związków przyswajalnych przez mikroorganizmy ale, .większość z nich występuje w postaci koloidów i zawiesin.
Z uwagi na wielkość cząsteczek, udział poszczególnych frakcji w ściekach komunalnych kształtuje się następująco:
> proste związki organiczne od 10 do 15%,
> wielkocząsteczkowe rozpuszczone i nierozpuszczalne polimery od 15 do 25%
>zawiesiny od 60-75%
Substancje rozpuszczone są pobielone przez mikroorganizmy no procesy wzrostu:
> nierozpuszczone wielkocząsteczkowe substancje organiczne i koloidy ulegają adsorpcji, a następnie hydrolizie Produktami hydrolizy sa proste substancje rozpuszczone.
> nierozpuszczalne cząstki materii organicznej występujące jako zawiesina są
mechanicznie zatrzymywane w klaczkach osadu czynnego. W przypadku licznie reprezentowanych białek, węglowodanów czy tłuszczy, efektywność ich biodegradacji zależy od szybkości hydrolizy.
Ponieważ hydroliza jest procesem wolnym, to związki nierozpuszczone są określane jako wolno rozkładalne.
Substancje o małej podatności na biodegradację lub oporne na biochemiczny rozkład
W oczyszczalniach ścieków komunalnych takie związki nie ulegają rozkładowi k:b ulegają częściowo.
Związki o charakterze silnie hydrofobowym, które nie podlegają biodegradacji mogą.i byc usuwane w wyniku biosorpcji.
Skutkiem tego ich zawartość w osadach ściekowych jest duża, co wpływa ograniczająco na możliwość
ich zagospodarowywania rolniczego.
AZOT I FOSFOR
Ścieki bytowo-gospodarcze i niektóre ścieki przemysłowe np. _ścjęki z produkcji nawozów sztucznych zawierają związki azotu i fosforu. Azot i fosfor są uznawane za główny czynnik przyśpieszający eutrofizację wód, zwlasza zbiorników wód stojących.
W ściekach miejskich proporcje C:N i C:P są przesunięte na korzyść N oraz P; tak że po oczyszczeniu nadal pozostają w odpływie. Całkowite usunięcie azotu i fosforu ze ścieków wymaga stosowania dodatkowych rozwiązań technologicznych.
Podzial metod oczyszczania ścieków z uwagi na sposób wzrostu mikroorganizmów:
Sposób wzrostu mikroorganizmów:
-wzrost w formie biomasy zawieszonej
(mikroorganizmy zdyspergowane, kłaczki-osad czynny, granule)
-wzrost na wypełnieniu stałym(błona biologiczna)
Pośredni: np.: wzrost na ziarnach nośnika w złożu fluidalnym
Wyklad 2
Osad czynny to system oczyszczania ścieków których główną cechą jest recyrkulacja biomasy.
Błonę biologiczną tworzą mikroorganizmy unieruchomione na stałym podłożu i osadzone w matrycy zbudowanej z zewnątrzkomórkowych substancji polimerycznych EPS.
Matryca biologiczna: stanowi barierę ochronną przed negatywnym oddziaływaniem czynników zewnętrznych, stanowi czynnik buforujący w odpowiedzi na zmiany stężenia substancji organicznych, odczyn, pojawienie się substancji toksycznych, zwiększa dostępność mikroelementów, umożliwia oddziaływania między gatunkami. Systemy z błoną biologiczną wykorzystuje się dość powszechnie zarówno w procesach uzdatniania wody jak i oczyszczania ścieków. Zdolność wzrostu mikroorganizmów na wypełnieniu stałym w różnego typu reaktorach stanowi podstawę rozwoju metod oczyszczania ścieków w warunkach tlenowych jak i beztlenowych oraz remediacji gruntów.
Etapy formowania błony: adhezja I- adhezja II-akumulacja błony i kongregacja-tworzenie wielogatunkowych zbiorowisk-błona dojrzała-starzenie błony.
Adhezja polega na specyficznym lub niespecyficznym przyczepianiu się komórek do podłoża. W pierwszym adhezja ma charakter odwracalny i jest skutkiem oddziaływań dalekiego zasięgu pomiędzy komórkami mikroorganizmów i makroskopową powierzchnią, włączając siły van der Waalsa oraz elektrostatyczne. Gdy komórki zbliżają się na odległość mniejsza niż 1,5 nm, wówczas pojawiają się oddziaływania specyficzne w których biorą udział adhenzymy białkowe. ...
anuszka66