Biotechnologia w ochronie środowiska

1. Czym jest biotechnologia?
Biotechnologia to zintegrowane zastosowanie biochemii, mikrobiologii i nauk inżynieryjnych w celu technologicznego wykorzystania zdolności drobnoustrojów do wytwarzania określonych produktów (antybiotyków, hormonów, witamin, enzymów, białek paszowych, aminokwasów, czynników wzrostowych, zwiększenia zmienności genetycznej, poprawy wydajności fotosyntezy i przyswajania przez rośliny azotu atmosferycznego, poprawy jakości wytwarzanych produktów, kontrolowania patogenów i pozostałości środków ochrony roślin, produkcji biopreparatów do nawożenia gleby i ochrony roślin, konserwantów, szczepionek nawozowych, preparatów diagnostycznych i profilaktycznych). W porównaniu z procesami chemicznymi procesy biotechnologiczne są znacznie mniej energochłonne, ponadto są bezodpadowe lub niskoodpadowe, tańsze i wydajniejsze, a powstające przy nich zanieczyszczenia są na ogół mało uciążliwe dla środowiska. Biotechnologia ma również znaczenie dla ochrony środowiska, m.in. znajduje zastosowanie w oczyszczaniu ścieków, neutralizacji i bioutylizacji odpadów, a także w produkcji biogazu. Osiągnięcia biotechnologii stosuje się głównie w rolnictwie, ale również w medycynie, przemyśle spożywczym, chemii, farmakologii, a nawet energetyce.

2. Biotechnologia ekosystemów
Zaburzenia w procesach geoklimatycznych i przyrodniczych są jednym z najważniejszych czynników naturalnej selekcji i ewolucji. Występowały one zawsze w postaci pożarów, przemieszczeń gruntu, suszy, mrozu. Skala, tempo i zakres zaburzeń powodowanych przez działalność człowieka w naturalnych ekosystemach są w obecnej fazie rozwoju cywilizacji zwykle większe od tych występujących w naturze, a ponadto silnie zróżnicowane przestrzennie. Obecnie jest coraz bardziej oczywiste, że działalność człowieka, prowadzona w różnych częściach świata, poza efektami lokalnymi ma również globalne implikacje. Najbardziej ewidentnym przykładem jest wycinanie lasów w regionach tropikalnych, które osiągnęło ostatnio tempo 10 mln ha w ciągu roku. Tak szybkie zmiany pokrycia roślinnością mogą spowodować, a prawdopodobnie już powodują, globalne zakłócenie klimatu, obiegu wody, a także obiegu węgla.
Współczesna kreatywna ochrona środowiska powinna zatem w coraz większym stopniu integrować metody techniczne, biologiczne, uwzględniać mechanizmy socjoekonomiczne i prawne oraz szczególną wagę przywiązywać do edukacji ekologicznej. Jednak jej podstawę powinien stanowic nowoczesny system monitoringu, uwzględniający nie tylko strukturę środowiska, ale również dynamikę procesów zachodzących w ekosystemach.
Zastosowanie biotechnologii polega na wykorzystaniu procesów mikrobiologicznych, enzymatycznych i immunologicznych do przetwarzania materii na poziomie molekularnym. Jednakże procesy te mogą i również powinny być wykorzystane, na wyższych poziomach integracyjnych – w ekosystemie i krajobrazie. Istotą biotechnologii ekosystemowych jest przetwarzanie materii i kontrolowanie jej obiegu w skali ekosystemu i krajobrazu dla ograniczenia degradacji i odbudowy struktury biotycznej oraz odtwarzaniu ewolucyjnie ukształtowanych procesów. Obecnie postęp wiedzy o ekologii, a szczególnie w hydrobiologii, ekologii krajobrazu i hydrologii upoważnia do rozpoczęcia fazy integracji tej wiedzy i wdrażania jej do praktyki rekultywacji i ochrony ekosystemów wodnych przez podjęcie wielkoskalowych działań.

3. Podstawy biologicznego oczyszczania ścieków.
Stosuje się trzy podstawowe grupy biologicznych układów oczyszczania ścieków, głównie tlenowych, różniących się obiektami i urządzeniami:
1) metody oparte na procesach naturalnych- osadniki gnilne, filtry gruntowe, stawy ściekowe, systemy „bagienne” (hydrofitowe),
2) metody oparte na złożach biologicznych,
3) metody oparte na procesie osadu czynnego.

• Technologia osadu czynnego
Oczyszczanie ścieków osadem czynnym jest wzorowanie na tlenowych procesach samooczyszczania zachodzących w wodach naturalnych i polega na mineralizacji zanieczyszczeń organicznych znajdujących się w ściekach, przez drobnoustroje osadu czynnego w instalacjach technicznych. W wyniku tego powstają mineralne formy węgla, azotu i fosforu.
Osad czynny jest to kłaczkowata zawiesina złożona głównie z bakterii i pierwotniaków, powstająca podczas oczyszczania ścieków. Bakterie na skutek wytwarzania pozakomórkowych biopolimerów tworzą skupiska makroskopowych rozmiarów, tzw. kłaczki osadu czynnego, o dużej powierzchni czynnej zdolnej do sorbowania substancji organicznych zawartych w ściekach w formie rozpuszczonej i koloidalnej. Zróżnicowana mikroflora osadu czynnego wykazuje zdolność wykorzystywania różnorodnych substratów ( i tym samym usuwania ich ze ścieków ) oraz przystosowywania się do zmieniających się warunków środowiskowych.
Proces osadu czynnego polega zasadniczo na wspólnym napowietrzaniu osadu czynnego ze ściekami w komorach napowietrzania, a następnie oddzieleniu osadu od oczyszczonych już ścieków w osadniku wtórnym. Oczyszczanie ścieków osadem czynnym jest naśladownictwem i intensyfikacją procesów samooczyszczania zachodzących w wodach naturalnych. Intensyfikacja polega głównie na znacznym zwiększeniu ilości drobnoustrojów w osadzie czynnym oraz na intensywnym natlenieniu mieszaniny osadu czynnego i ścieków poprzez sztuczne wprowadzenie powietrza. Pozwala to na zwiększenie ilości doprowadzanych ze ściekami zanieczyszczeń i skrócenie czasu oczyszczania do kilku-kilkunastu godzin.

System składa się z trzech części: mechanicznej, biologicznej oraz separacji i przeróbki osadów ściekowych.

CZĘŚĆ MECHANICZNA:
a) Krata – na kratach odbywa się usuwanie ze ścieków substancji stałych o stosunkowo dużych rozmiarach, jak np. skórki owoców, gałęzie, puszki, kartony itp. Obecność tych zanieczyszczeń mogłaby zakłócić działanie następnych obiektów oczyszczalni i spowodować np. zapychanie się rurociągów oraz pomp. Zanieczyszczenia zatrzymane na kratach są okresowo zgarniane, niekiedy prasowane oraz dezynfekowane, po czym deponowane na wysypiskach odpadów.
b) piaskowniki – w nich następuje zatrzymanie cząstek mineralnych typu piasek, żwir, żużel itp. Usunięcie cząstek mineralnych zabezpiecza kolejne obiekty oczyszczalni przed zapychaniem rurociągów, ścieraniem mechanicznych elementów pomp, odkładaniem się piasku w komorach napowietrzania i komorach fermentacyjnych, co prowadzi do zmniejszenia ich objętości czynnej.
c) osadnik wstępny – jego funkcja polega na zatrzymaniu zawiesin łatwo opadających, głównie organicznych, w wyniku procesu sedymentacji. Zawiesina łatwo opadająca to taka, która w ciągu 2h opadnie w tzw. Leju Imhoffa (stożkowy cylinder szklany o pojemności 1 dm3). Drugim istotnym zadaniem osadników wstępnych jest usuwanie ze ścieków zawiesin lżejszych od wody (tłuszczów i części opadających).

CZESC BIOLOGICZNA:
a) komora napowietrzania – powietrze doprowadzane do komór napowietrzania dostarcza tlen niezbędny mikroorganizmom w reakcjach biochemicznego utleniania związków organicznych zawartych w ściekach, a także utrzymuje ścieki i osad czynny w stałym ruchu, dzięki czemu następuje równomierne zaopatrzenie mikroorganizmów w substraty, a osad nie opada na dno komory. W komorze napowietrzania mikroorganizmy osadu czynnego prowadzą procesy rozkładu związków organicznych zgodnie ze schematem:

materia organiczna + tlen + substancje pożywkowe + mikroorganizmy = nowe mikroorganizmy + dwutlenek węgla + woda

b) osadnik wtórny – następuje w nim oddzielenie kłaczków osadu czynnego od oczyszczonych ścieków. Prawidłowe i efektywne oddzielenie osadu czynnego w osadnikach wtórnych jest bardzo istotne ze względu na końcowy efekt oczyszczania ścieków. Zagęszczony w osadnikach wtórnych osad czynny recyrkulowany jest do komór napowietrzania jako tzw.osad powrotny albo recyrkulat, żeby utrzymać w nich stałe, określone stężenie mikroorganizmów biorących udział w procesie oczyszczania. W procesie biologicznego oczyszczania następuje ciągły przyrost mikroorganizmów wtórnych jako tzw.osad nadmierny do procesu przeróbki osadów.

Przeróbka osadów:
W każdej oczyszczalni ścieków jednocześnie z procesem oczyszczania powstają osady surowe, które stanowią poważny problem ze względu na zagrożenia sanitarne oraz na ich dużą skłonność do zagniwania (tj. beztlenowego rozkładu związków organicznych) i związanego z tym wydzielania odorów. Dlatego osady surowe wymagają stabilizacji ich składu chemicznego w celu znacznego zmniejszenia zawartości masy organicznej, a tym samym zlikwidowania ich zdolności do zagniwania.

Obecnie najczęściej stosowanymi metodami stabilizacji osadów w oczyszczalniach ścieków jest fermentacja beztlenowa oraz stabilizacja tlenowa.

Osad nadmierny z osadnika wtórnego przepompowywany jest do zagęszczacza w celu zmniejszenia objętości, a następnie do komory fermentacyjnej, gdzie zachodzi jego stabilizacja. Osad wstępny również trafia do komory fermentacyjnej bądź to bezpośrednio z leja osadowego osadnika wstępnego, bądź to po dodatkowym zagęszczeniu w zagęszczaczu. Zależy to m.in. od ilości osadu wstępnego.
W komorze fermentacyjnej w warunkach beztlenowych następuje biologiczny rozkład organicznej frakcji osadów przez odpowiednie mikroorganizmy. Rozkład ten nosi nazwę fermentacji metanowej, ponieważ głównym produktem tego rozkładu jest gaz zawierający 60-80% metanu oraz dwutlenek węgla. Osady ustabilizowane poddawane są dalszemu zagęszczaniu, a następnie odwodnieniu. Odwadnianie ma na celu usunięcie wody z osadu w celu zmniejszenia jego objętości. Obecnie najczęściej do tego celu stosuje się mechaniczne odwadnianie na prasach filtracyjnych. Filtrach próżniowych lub wirówkach. Ustabilizowany i odwodniony osad wywożony jest najczęściej poza teren oczyszczalni i składowany na składowisku odpadów.
• Metoda złóż biologicznych
Działanie złóż biologicznych oparte jest na naśladowaniu procesów samooczyszczania zachodzących w warunkach naturalnych w glebie, ale szybkość tych procesów jest znacznie większa. Złoża biologiczne są to urządzenia, w których zachodzą tlenowe procesy rozkładu zanieczyszczeń zawartych w ściekach. Procesy oczyszczania są wynikiem działalności mikroorganizmów osiadłych na materiale wypełniającym złoże w postaci tzw. błony biologicznej.
W złożu biologicznym oczyszczane ścieki przesącza się przez przepuszczającą powietrze warstwę materiału wypełniającego. Po kilku tygodniach wpracowywania złoża, na powierzchni materiału wypełniającego wykształca się błona biologiczna (biofilm), składająca się głownie z bakterii, grzybów i pierwotniaków. Zawarte w ściekach rozpuszczone i koloidalne substancje organiczne adsorbują się na błonie, a następnie są rozkładane tlenowo przez znajdujące się w niej mikroorganizmy.
W tradycyjnym ujęciu złoża biologiczne dzielimy w zależności od obciążenia hydraulicznego ściekami na zraszane, spłukiwane i wieżowe. Istnieją również złoża tarczowe, w których błona biologiczna rozwija się na obracających się na okrągłych tarczach umieszczonych blisko siebie i zamontowanych na wspólnej osi poziomej.
Złoża biologiczne mogą w wielu przypadkach stanowic alternatywę dla urządzeń osadu czynnego. Dotyczy to szczególnie małych i średnich oczyszczalni ścieków, z których wiele pracuje opierając się na przestarzałych złożach biologicznych. Do podstawowych zalet złóż biologicznych należą: prosta konstrukcja, małe zapotrzebowanie na teren, prostota obsługi, duża energooszczędność, duża tolerancja na gwałtowne zmiany obciążenia, mała wrażliwość na zmiany składu ścieków. Złoża biologiczne okazują się tez przydatne przy oczyszczeniu niektórych ścieków przemysłowych.
• Usuwanie pierwiastków biogennych
Poprzez pojecie usuwanie pierwiastków biogennych rozumie się eliminację ze ścieków związków azotu i fosforu. Aby zapewnić wysokoefektywne oczyszczanie ścieków ( tj. usuwanie z nich węgla organicznego, azotu i fosforu ) w nowoczesnych oczyszczalniach poza mineralizacja związków organicznych musza być realizowane procesy nitryfikacji, denitryfikacji oraz biologicznej i chemicznej defosfatacji. Powoduje to coraz większy stopień skomplikowania układów technologicznych i dużą różnorodność oferowanych rozwiązań oczyszczalni ścieków. W nowoczesnych oczyszczalniach z jednoczesnym usuwaniem C, N i P ( węgla organicznego, azotu i fosforu ) niezbędne zmiany technologiczne dotyczą stopnia biologicznego. Zasada polegająca na stosowaniu sekwencji warunków beztlenowych, niedotlenionych i tlenowych wraz z układami recyrkulacji osadu jest podstawą wielu rozwiązań układów technologicznych biologicznego usuwania azotu i fosforu.
W rozwiązaniu tym ścieki wraz z osadem czynnym przepływają kolejno przez komorę beztlenową, anoksyczną( denitryfikacji ) i tlenową. Usuwanie fosforu na drodze biologicznej odbywa się dzięki naprzemiennemu przebywaniu biomasy osadu czynnego kolejno w środowisku beztlenowym oraz tlenowym. Naprzemienny przepływ osadu przez strefę beztlenowa a następnie tlenowa powoduje, ze dominacje w biomasie osadu uzyskują populacje mikroorganizmów posiadających zdolność pobierania fosforu ze ścieków i wewnątrzkomórkowego magazynowania go w ilości większej niż potrzebna jest dla wzrostu Komorek. Usuniecie przyrastającej biomasy w postaci osadu nadmiernego powoduje w rezultacie efektywna eliminację fosforu ze ścieków.
W celu zapewnienia usunięcia azotu ogólnego ze ścieków wprowadzona jest recyrkulacja wewnętrzna z komory tlenowej do komory atoksycznej. W ten sposób azotany(V) powstałe w procesie nitryfikacji ulęgają redukcji do gazowego azotu (uwalnianego następnie do atmosfery) w procesie nitryfikacji.

4. Utylizacja odpadów
Dotychczasowy sposób gospodarowania odpadami komunalnymi, polegający głównie na ich składowaniu, powoduje w skali światowej negatywne skutki sanitarne, ekologiczne i gospodarcze.
Obecnie na świecie zmierza się w kierunku maksymalnego wykorzystania wytworzonych odpadów komunalnych drogą segregacji i kompleksowego przerobu, którego celem jest odzyskanie materiałów i energii. Kompleksowy przerób odpadów komunalnych polega na wstępnej segregacji odpadów, zastosowaniu metod unieszkodliwiania frakcji organicznej, a następnie- alternatywnie – na spalaniu albo składowaniu, w zależności od warunków lokalnych.
Do utylizacji organicznej frakcji odpadów znalazły zastosowanie procesy biotechnologicznego unieszkodliwiania- kompostowanie i produkcja biogazu.



• Wytwarzanie biogazu
Teoretycznie wytwarzanie gazu w warunkach wysypiska komunalnego zachodzi w następujących po sobie fazach rozkładu:- tlenowa, trwająca do wyczerpania tlenu z powietrza zawartego w wysypisku, oraz beztlenowe: - fermentacja kwaśna, - fermentacja metanowa niestabilna, - fermentacja metanowa stabilna. Końcowa faza jest ponownie tlenowa. Najdłużej trwa fermentacja metanowa stabilna- około 20 lat, a rozpoczyna się po upływie 180 do 500 dni od rozpoczęcia procesu. W tym okresie może nastąpić produkcja i utylizacja gazu. Gaz powstały w procesie fermentacji metanowej składa się w 50 do 60% z metanu oraz w 40 do 50 % z dwutlenku węgla. W jego skład wchodzą również w ilościach śladowych inne składniki (siarkowodór, merkaptan etylowy, aldehyd octowy, amoniak). Zainteresowanie tym gazem nastąpiło przede wszystkim ze względu na bezpieczeństwo i higienę oraz stosunkowo niewielkie szkody ekologiczne wywołane jego emisja.
• Kompostowanie
Istotną role w umożliwieniu wykorzystania osadów ściekowych i innych odpadów organicznych do celów rolniczych, odgrywa proces częściowego ich rozkładu biologicznego w warunkach tlenowych- kompostowanie. Jest to skomplikowany proces biotechnologiczny, polegający na częściowym rozkładzie substancji organicznej w warunkach tlenowych, pod wpływem mikroorganizmów (głównie chemoheterotroficznych bakterii i grzybów) do prostych połączeń (CO2 i H2O) i stosunkowo stabilnej pozostałości, składającej się z trudno rozkładalnych w warunkach glebowych resztek roślinnych, zwierzęcych i biomasy mikroorganizmów, określanej mianem próchnicy- kompostu- wartościowego nawozu organicznego.
Podstawowymi składnikami kompostu są związki humusowe (kwas huminowy), powstające najprawdopodobniej w wyniku oksydacyjnej polimeryzacji związków fenolowych i substancji będących produktami degradacji białek, ligniny, celulozy oraz związków nieorganicznych.

5. Biodegradacja gleb
Biodegradacja to biochemiczny rozkład związków organicznych na prostsze składniki chemiczne. Biodegradacja związków organicznych definiowana jest jako zmniejszenie zawartości tych związków w kompleksie glebowym na skutek funkcji życiowych mikroorganizmów zwłaszcza bakterii i grzybów. W warunkach tlenowych końcowymi produktami biodegradacji są dwutlenek węgla i woda. Jeżeli rozkładany związek zawierał w swym składzie azot, siarkę i chlor, to końcowymi produktami biodegradacji mogą być azotany(V), siarczany(VI) i chlorki.
Skażenie gleby, podobnie jak i wody może nastąpić przez takie połączenia, jak: węglowodory alifatyczne, węglowodory aromatyczne, chlorowane węglowodory alifatyczne, chlorowane węglowodory aromatyczne, wielochlorowane bifenyle, wielochlorowane trifenyle, pestycydy, chlorofenole i inne.
Związki te, z uwagi na ich duże rozpowszechnienie, odporność chemiczna, bioakumulację oraz toksyczność spowodowały, iż wiele ośrodków badawczych zajęło się badaniem ich własności. Szczególnie interesujące jest poznanie procesu ich biologicznego rozkładu. Biodegradacja jest procesem, w którym struktura związku organicznego ulega zmianie w czasie enzymatycznych reakcji. Związki pośrednie i produkt końcowy powstały podczas tych przemian mogą być również toksyczne. Biokonwersja związku może przebiegać do końca lub może zatrzymać się na częściowej degradacji związku. Biodegradacja mikrobiologiczna związku, podobnie jak inna aktywność mikroorganizmów, powoduje oddziaływania między mieszanymi populacjami, które wpływają na efektywność katabolizmu. Proces degradacji związku zależy od rodzaju mikroorganizmów, rodzaju substancji biodegradowanej oraz warunków środowiskowych. Mikroorganizmy, które mogą być szczególnie użyteczne do biodegradacji związków wytworzonych przez człowieka, to : grzyby, bakterie, mikroorganizmy fototropiczne i promieniowce.`