Биоаугментация

напреднали биотехнологии за ПСОВ

Селищни и промишлени пречиствателни станции за отпадъчни води (ПСОВ) в целия свят разчитат на биологични пречиствателни процеси за качествено, икономически ефективно и опростено третиране на водите. Биотехнологичният сектор предлага гама от иновативни продукти и решения за биоаугментация за биологични пречиствателни станции за отпадъчни води, с цел по-лесно постигане на подобрено пречистване и рентабилност.
Биоаугментацията има много приложения във всички типове системи за биологично пречистване, включително биобасейни и вторични утаители с активна утайка, периодични реактори с последователно действие (Sequencing Batch Reactors, SBR), потопени аеробни и анаеробни биофилтри, въртящи се биоконтактори (биодискове, RBC), биоезера, лагуни, метантанкове и други.

Микроорганизмите могат да бъдат намерени в почти всички местообитания на планетата ни. Те обслужват основните функции в различни екосистеми. Идентифицирането на тези функции, събирането и третирането на съответните микроорганизми позволява биотехнологични компании да ги прилагат на други места за различни приложения. Част от тези приложения са биологичните процеси на разграждане на замърсители в отпадните води в пречиствателни станции.

Разбирането на процесите на биоразграждане изисква разбиране на микроорганизмите, които извършват работата в процесите. Микробните организми трансформират веществата чрез метаболитни или ензимни процеси. Протичат два основни процеса - растеж и кометаболизъм. При растеж органичният замърсител се използва като основен източник на въглерод и енергия. Този процес води до пълно разграждане (минерализация) на органични замърсители. Кометаболизмът се определя като метаболизъм на органично съединение в присъствието на субстрат (органичен замърсител), който се използва като основен въглероден и енергиен източник. Редица микроорганизми, включително гъбички, бактерии и дрожди участват в процесите на биоразграждане. Разграждащите (пречистващите) процеси се различават значително, но често крайният продукт на разграждане е въглероден диоксид. Органичният материал може да бъде разграден аеробно - с кислород или анаеробно - без кислород.

Какво представлява биоаугментацията?
Биоаугментацията може да се дефинира като техника за подобряване капацитета на пречистващите отпадни води съоръжения за отстраняване на замърсяванията чрез въвеждане на определени, отговорни за това щамове или консорциуми от микроорганизми, получени след селекция или генно модифициране – пренасяне на гени между съответно родствени и неродствени видове. Основна причина за тази интервенция е, че метаболитният капацитет на местната микробна общност, вече присъстваща в системата за пречистване, ще бъде увеличен екзогенно с по-голямо генетичното разнообразие, което води до по-широк спектър от реакции на биоразграждане.

Новите консорциуми имат повишена разграждаща способност за по-широк кръг замърсители. Смята се, че биоаугментационният подход следва да се прилага, когато биостимулацията (подобряване условията за съществуващите микроорганизмите) не е успяла да достигне нужната степен на пречистване. Обикновено до биоаугментация се пристъпва, когато по различни причини ПСОВ не може да отговори на изискванията за пречистване с наличните микроорганизми.

Тъй като за дейността на микроорганизмите значение имат както абиотичните, така и биотичните фактори, често се препоръчва биоаугментацията да се съчетава с биостимулация. В този случай тя се дефинира като добавяне на бактерии, хранителни вещества и други растежни фактори за повишаване на биоразнообразието и ефикасността на пречистване на отпадни води и други среди. Към типовете продукти, които ще са ви нужни за такава технология спадат три групи – биотехнологични микробни и ензимни форми; продукти, източници на макро- и микроелементи и биостимуланти като витамини, захари и растежни фактори, обикновено с растителен произход, например от водорасли.

Тези продукти трябва да бъдат пригодени към специфичните отпадъчни води, за които ще се използват. Те не са панацея за всяка ситуация. Всички тези продукти се използват при добро познаване на химичните и биологичните особености на отпадните води, за да се избегне неправилно прилагане. Необходими са аналитични оценки, за да се определят зоните, където съществуват недостатъци в процесите на пречистване. Когато е ясно какви са пропуските, могат да се изберат точните продукти.

Получаване на биологични продукти за биоаугментация в промишлен мащаб
Много биологични продукти се състоят от множество видове микроорганизми. Като цяло, всеки щам трябва да ферментира независимо органичните съединения, тъй като различните щамове ферментират различни молекули. Това дава възможност на производителя да гарантира, че целевото производство на микроорганизмите е успешно и без замърсяване. Така получените щамове могат да се смесят в правилното съотношение за образуване на крайния продукт.

По време на ферментацията в промишлени условия на всеки отделен микроорганизмен щам операторите на производството непрекъснато наблюдават много критични растежни параметри на ферментацията, включително рН, разтворен кислород и оптичната плътност. Вземат се проби от клетките и се наблюдават под микроскоп за оценка на хода и чистотата на ферментацията. Всички замърсени ферментации се прекратяват на този етап и се изхвърлят. По време на процеса на формулиране отделните щамове могат да бъдат смесвани за постигане на специфичните изисквания и процент активност на продукта.

Прилагане на продуктите за пречистване на отпадъчни води
Типични програми за биоаугментация започват с повишена начална доза за достигне на бърз резултат. Следващите дози са по-малки, за поддържане на активна биомаса, особено в ПСОВ, които имат повтарящи се проблеми със стабилността.

Активната съставка в повечето продукти са живи бактерии. Те са били селектирани от природата заради специфични способности и след това са адаптирани към максимизиране на тези възможности в системите за пречистване на отпадъчни води. Тези високоразвити щамове са смесени в синергична комбинация, при която различни щамове се допълват взаимно, за да се максимизира ефективността им. Въпреки че са живи, бактериите са така селектирани или генно модифицирани, че да не са опасни за хора и животни.

Понякога се задава въпроса, дали тези микроби растат в системите на ПСОВ. Биоаугментацията осигурява "засяващ" ефект. Така че микробите в първоначалната доза и последващите поддържащи дози растат и увеличават броя си след като се добавят към пречиствателната станция и се включат в съществуващата биомаса. Те могат да растат в суспензия и да образуват здрави флокули (агломерати с големи адсорбционни възможности) за прикрепяне на органичните замърсители. Развиващи се на повърхността на този фиксиран филм, новите щамове подпомагат микроорганизмите да минерализират замърсителите.

Как продуктите реагират с вече присъстващите микроорганизми?
Продуктите се използват в приложения, където микробите могат да оцелеят. Всеки аспект от нашата околна среда, който може да поддържа растежа на микробите вече е с установена популация от "естествено срещащи се" щамове. Биотехнологиите използват биоаугментационни продукти в тези ниши, когато искат да се променят условията (например намаляване на мазнини). Когато новите продукти се засеят в средата, те трябва да растат и да си създадат място в наличната популация. Те работят с естествено срещащите се щамове като разграждат големи и по-сложни молекули на по-малки единици, с които всъщност се хранят много от местните щамове. В някои приложения, първоначалната доза може да бъде значително по-висока, за да съдейства на новите бактерии да установят положението си във вече съществуващата екосистема.

Каква е разликата между микробните и ензимните продукти?
Микробните продукти извършват работата си, като произвежда ензими. Ензимите са много специфични катализатори в биохимичните реакции на разпадане на органичните съединения. Тяхната активност зависи от молекулната форма на ензима, която съответства на формата на съединенията в реакционната смес. Ензимите не се възпроизвеждат, а разчитат на микробите, които често се наричат "ензимни фабрики". Микробите правят повече от това да произведат ензими, те предоставят "интелигентна”, ефективна система, тъй като откриват органичните замърсители и произвеждат специфичните ензими, необходими за разграждането на наличните съединения.

Стимулиращи биоаугментацията продукти
Биотехнологичните компании отдавна използват значението на микроелементите, като минерали, аминокиселини и витамини, в растежа и възпроизводството на здрави клетки. Те предлагат продукти, смес от минерали, аминокиселини и витамини, предназначени за подобряване на производителността на биологичните системи на нивото на бактериална клетка. При контролирани условия те са успели да разработят форми, които осигуряват оптимален баланс на хранителни микроелементи, за да се осигури бърз и стабилен растеж на бактерии в условията на биологично почистване на отпадъчни води. Тези микроелементи повишават и способността на популациите да образуват флокули (формите в които става разграждането на разградимите и утаяването на неразградимите замърсители). Тези продукти обикновено са естествени, без химични вещества. Най-често съдържат минерали, включително калций, желязо, магнезий, манган, кобалт, мед и цинк; аминокиселини, като например лизин и витамини, включително фолиева киселина. Всички те имат решаващи значение за поддържане на специфични клетъчни функции.

Какво се случва с продукта, ако замръзне или стане прекалено горещо?
Много микроби в продукти за биоаугментация са в защитена форма, наречена спори. Те са с висока устойчивост на температурни промени. Бактериите във формата на спори имат здраво покритие, което не може да бъде пробито от ледени кристали и предпазва от въздействието на високи температури. Въпреки че някои спори могат да се увредят при излагане на високи температури за дълги периоди от време, малко вероятно е при нормалните условия на доставка и съхранение да се получи дезактивиране на продукта.

Някои от най-ефективните микроби не могат да образуват спори и трябва да се съхраняват във вегетативна форма. Когато вегетативните клетки са изложени на високи температури, липидите (мастни материали) в клетъчната стена може да се разтварят, позволявайки пропуски в клетъчната мембрана. Затова много вегетативни щамове са дехидратирани за осигуряване на високо ниво на защита от високи температури. Въпреки това, те трябва да се съхраняват на хладно.

Защо е необходимо поддържащо дозиране?
Дизайнът и/или механични ограничения в биологични пречиствателни станции, често може да предизвикат продължителни проблеми като висока химична потребност от кислород (COD), лошо формиране на флокули, лошо отстраняване на конкретни органични съединения (феноли, например), както и органично претоварване. Тези пропуски могат да са свързани с размера на реактора, преноса на кислород, смесването, капацитета на помпите и други. Тези елементи и тяхното управление, до голяма степен определят възможностите на биомасата за разграждане на определени отпадъчни води.

Непрекъснатото добавяне на поддържащи дози от селективно адаптирани бактериални култури с доказани характеристики и добър растеж, може частично, а понякога и напълно, да премахне механичните ограничения по отношение на пречистването. Стойността на поддържащото дозиране се оправдава с потенциални спестявания на капиталовите разходи.

Хронични проблеми като токсичност и лошо отстраняване на бионеразградими съединения се случват в ПСОВ, защото често наличната биомасата просто не разполага с необходимата разграждаща или утаяваща способност. Токсичните съединения често възпрепятстват или унищожават част от биомасата. Непрекъснато добавяне на специфично насочени към определени органични замърсители продукти ще създаде и поддържа желаната разграждаща способност в биомасата.

Тези селективни способности на щамовете са разработени, чрез излагане на културите на високи нива на целевите съединения по време на производство. Въпреки това, ако средата в отпадъчните води не продължава да поддържа тези специфични способности, бактериите могат да се върнат към по-прости хранителни източници. С други думи, техните разпадни способности не са "заключени" към конкретни съединения, а се контролират и от абиотичните условия.

Периодични проблеми, като шокови натоварвания, променливи натоварвания, както и токсични прояви могат просто да унищожат местната биомаса, което води до нестабилност в качеството на отпадъчните води. Това е факт за много промишлени ПСОВ, чиито отпадъчни потоци се различават в сезоните, при използване на нови суровини, при стартиране на нов процес, разширяване на производството и т. н.

Правилното прилагане на биоаугментационните технологии, включително поддържащо дозиране, неизменно повишава стабилността на ПСОВ, като им позволява да се реагира много по-бързо на колебанията в натоварването. В случаи на тежки аномалии (рН<2.0 или >12.0, например), с тази техника се наблюдава значително намаляване на времето за възстановяване на стабилността.

Защо се налага биоаугментация?
Важна стъпка в биологичното третиране на отпадни води е отстраняването на неразградимите твърди частици, обикновено чрез утаяване в лагуни или утаители. Бактериите образуват естествени флокули, в помощ на този процес. Токсични сътресения и промени в системата водят до влошаване на характеристиките на утаяване на бактериалната популация. Традиционният подход за добавяне на органични или неорганични коагуланти може да бъде ефективно, но скъпо решение. Чрез инокулиране на системата с биотехнологични микроорганизми се увеличава както токсичната устойчивост, така и флокулираната утайка, с което търсенето на скъпи химични заместители може да бъде значително намалено или елиминирано.

Обикновено разходите за биоаугментация са значително по-малко от тези за добавяне на полимерни флокуланти. В допълнение, технологията осигурява нова, по-стабилна биомаса.

Друго предимство на процеса е преференциалното разграждане на специфични съединения - чрез добавяне на избрани организми. Така могат да бъдат постигнати ниски нива на специфични съединения, които не са възможни с местните популации. Съединения като феноли, хлорирани ароматни съединения, фурани и диоксини са само част от съединенията, които могат да бъдат минимизирани с биоаугментация. Още едно предимство е подобряване на нитрификацията.

Много промишлени ПСОВ имат затруднения при постигането на нитрификация, поради ограниченията на дизайна или токсични шокове. Чрез редовно добавяне на нитрифициращи бактерии, може да се поддържа правилната популация за отстраняване на амоняк. Други случаи на предпочитане на този метод е когато са необходими отстраняване на миризми, бързо стартиране на системата и подобрена устойчивост към токсичния шок.

При метантакновете в ПСОВ богати на амоняк субстрати инхибират анаеробното разграждане и представляват основна причина за ниско оползотворяване на енергията. Много такива системи при повишено количество амоняк инхибират стабилното си състояние със значителни загуби в производството на биогаз.

Има недостиг на надеждни методи за облекчаване на ефекта на токсичност на амоняк или за ефективно третиране на богати на амоняк отпадъчни потоци. Биоаугментацията е възможен метод за облекчаване на токсичния ефект на амоняк с щам на Methanoculleus bourgensis с подходящ геном например. Метантанк с такъв щам показва с 31.3% по-голямо производство на метан в сравнение с контролен реактор без биоаугментация.