Ewelina Nowicka i Alicja Machnicka, Ocena skuteczności higienizacji osadu nadmiernego suchym lodem – rozdział w monografii: Współczesne problemy ochrony środowiska

Streszczenie

Przeprowadzone badania wykazały możliwość zastosowania suchego lodu do dezintegracji osadu nadmiernego i jego higienizacji.

W wyniku badań mikrobiologicznych stwierdzono, że dla stosunku objętościowego osadu do suchego lodu 1 : 1, ogólna liczba bakterii uległa zmniejszeniu o 80%, liczebność pałeczek Salmonella sp. obniżyła się o 84%, Escherichia coli o 83%, natomiast liczba somatycznych colifagów o 81%.

Potwierdzeniem niszczącego działania suchego lodu na mikroorganizmy było uwolnienie materii organicznej, wyrażonej wartością ChZTCr oraz wzrost mętności cieczy nadosadowej. Dla stosunku objętościowego osadu do suchego lodu 1 : 1, stwierdzono 8 krotny wzrost wartości ChZTCr oraz 6 krotny wzrost mętności fazy płynnej osadu.

Ewelina Nowicka i Alicja Machnicka, Wpływ dezintegracji osadu nadmiernego suchym lodem na uwalnianie materii organicznej i nieorganicznej – w druku

WSTĘP

W krajach Unii Europejskiej coraz większą uwagę zwraca się na problemy środowiska przyrodniczego, w tym na zagadnienia dotyczące przeróbki osadów ściekowych oraz ich zagospodarowanie [1].

Zgodnie z wytycznymi Unii Europejskiej dąży się do maksymalnego wykorzystania powstających osadów ściekowych, zarówno na etapie odzysku produktów i minimalizacji osadów jak i końcowego ich zagospodarowania. Rolnicze zagospodarowanie osadów jest poddawane restrykcyjnym przepisom a składowanie wymaga opracowania strategii, której celem jest ograniczenie ilości odpadów biodegradowalnych [2].

Dezintegracyjne metody przeróbki osadu dla poprawy jego podatności na biochemiczny rozkład należą obecnie do najbardziej dynamicznie rozwijających się
technologii. Technika ta spostrzegana jest jako metoda rozwiązywania narastających problemów, związanych z przeróbką osadów ściekowych. Dotyczy to zwłaszcza możliwości zmniejszenia ilości osadów wyprowadzonych z oczyszczalni ścieków [3]. Dezintegracja jest procesem niszczenia struktur osadu [4, 5], polegającym na rozerwaniu połączeń między komórkami mikroorganizmów, zniszczeniu komórek wraz z uwolnieniem substancji organicznych, nieorganicznych i wewnątrzkomórkowych polimerów do fazy płynnej osadu [6]. Przeróbka osadów ściekowych wykorzystuje różne metody dezintegracji np. mechaniczne (sonifikacja, kawitacja hydrodynamiczna), chemiczne (alkalizacja, ozonowanie), biologiczne (enzymy) oraz termiczne (obróbka cieplna, zamrażanie/rozmrażanie) [7 – 10].

Proces zamrażania/rozmrażania często występuje w przyrodzie, co prowadzi do zmian własności środowiska [11] a wprowadzenie w ubiegłych latach termicznej przeróbki osadów miało na celu poprawę stopnia mineralizacji osadu a także poprawę jego odwadnialności [3, 12]. Odwadnianie osadów ściekowych za pomocą zamrażania/rozmrażania dokonuje się poprzez wydzielenie frakcji stałych i ciekłych, w trakcie powstawania kryształków lodu. Stwierdzono również, że mechanizm ten sprzyja przekształceniu kłaczków w postać bardziej zwartą, zbitą [13 – 15].

Zamrażanie/rozmrażanie z wykorzystaniem suchego lodu jest skuteczną techniką w odwadnianiu osadów ściekowych na co zwrócił uwagę Vesilind i Martel [16]. Suchy lód przekształca strukturę kłaczka w większe aglomeraty [14] i redukuje wodę związaną [17] dlatego proces zamrażania/rozmrażania suchym lodem cieszy się coraz większym zainteresowaniem [18 – 22].

Celem przeprowadzonych badań było przedstawienie możliwości wykorzystania destrukcyjnego działania suchego lodu na osad czynny nadmierny, przejawiającego się uwolnieniem materii organicznej i nieorganicznej do fazy płynnej osadu. Wzrost stężenia związków chemicznych w cieczy osadu, zwiększa pulę i dostępność materii organicznej dla drobnoustrojów uczestniczących w procesach technologicznych, a tym samym może służyć poprawie oczyszczania ścieków i przeróbki osadów.

Suchy lód czyli stały dwutlenek węgla to całkowicie naturalny produkt, produkowany w postaci granulatu przez sprężenie gazowego dwutlenku węgla do ciekłej postaci i usunięcie ciepła wytworzonego przy kompresji, a następnie szybkie rozprężanie. To rozprężanie i szybkie parowanie gazowego dwutlenku węgla schładza resztę płynu do temperatury topnienia, gdzie CO2 zamarza w „śnieg”, który przyjmuje formę kulek lub bryłek. Temperatura zamarzania CO2 to -78,5°C [23].
Suchy lód sublimuje, czyli przechodzi z fazy stałej w fazę gazową w warunkach ciśnienia atmosferycznego z pominięciem fazy ciekłej. Ciepło sublimacji wynosi 573 kJ, co powoduje, że jest on ok. 3,3 razy efektywniejszym czynnikiem chłodniczym niż lód wodny (przy tej samej objętości). Ciężar właściwy „śniegu” mieści się w zakresie od 1,2 kg/dm3 do 1,6 kg/dm3, a jego twardość w skali Mohsa wynosi 2, co odpowiada twardości gipsu [14]. Stały dwutlenek węgla wytwarza bakteriostatyczną atmosferę, która poprawia jakość chłodzonych produktów zapobiegając ich utlenianiu. Jest to produkt niepalny, bezwonny i bez smaku, nietrujący, dopuszczony do kontaktu z artykułami spożywczymi. Posiada zastosowanie w cateringu, w chłodnictwie, w czyszczeniu wszelkiego typu maszyn oraz w laboratoriach do spowolnienia reakcji egzotermicznych [24], a obecnie także do przeróbki osadów ściekowych.

Przyczyną śmierci drobnoustrojów podczas mrożenia, w tym zamrażania suchym lodem, jest wzrost objętości zamarzającej wody w cytoplazmie, mechaniczne uszkodzenie ściany i błony komórkowej, szok osmotyczny oraz destrukcja organelli komórkowych. Mechaniczne uszkodzenia spowodowane są także tworzeniem się kryształów lodu w środowisku otaczającym komórki i w ich wnętrzu oraz częściową utratą wody hydratacyjnej białek, co prowadzi do zmian ich własności (denaturacja). Zwiększające się w procesie mrożenia zewnątrzkomórkowe kryształy niszczą występujące między nimi komórki drobnoustrojów [25, 26]. Tworzenie się kryształów międzykomórkowych powoduje uszkodzenia biomembran i zmianę ich właściwości, co prowadzi do wycieku substancji wewnątrzkomórkowych do środowiska.

Ewelina Nowicka and Alicja Machnicka – Hygienization of surplus activated sludge by dry ice – Ecological Chemistry and Engineering S

Introduction

A primary objective of sludges treatment is their stabilizing. Stabilized sludges have a favourable chemical composition, excellent soil-forming properties and generally return water well. However, the conditioning processed being used do not provide a product that is completely safe in terms of sanitary matters due to the fact that they are occupied by bacteria, viruses, parasitic worms, fungi, protozoa and other microorganisms. They include both
pathogenic microorganisms, dangerous to human, and saprophytic ones, neutral from the sanitary point of view. The presence of pathogenic organisms in sewage sludges is therefore a sanitary hazard for the environment.

The methods to improve the quality of sewage and sewage sludges – from themicrobiological point of view – are those which cause deactivation of pathogenic organisms.

The assessment of a sanitary condition of sludges is based on the indirect conclusion on the content of pathogenic bacteria and eggs of intestinal parasites and is based on determining so called sanitary indicator. Until recently, the species being a sanitary indicator among bacteria was a lactose-positive rods Escherichia coli. Currently, under the Regulation of the Minister of the Environment [1], a new bacteria indicator Salmonella sp. is being used in sanitary assessment. Salmonella sp. is a relatively anaerobic rods, commonly present in sewage, sewage sludges and contaminated water. The time of its survival in the environment is approximately 3 months [2]. The role of Salmonella sp. rods in the pathogenesis of human infections has increased significantly in recent years [3]. A minimum infectious dose for this pathogen is from 10 to 1010 of cells [2]. Salmonella sp. is, among others, the cause of 86% of gastroenteritis met [3], typhoids, multi-organ infections and sepsis [4, 5]. The effect of its toxic actions results from the release of endotoxin, which is lipopolysaccharide from the chemical point of view [6].

Spore-forming rods, present in sewage, sewage sludges, soil contaminated with faeces and the gastrointestinal tract of humans and animals are Clostridium perfringens. It is a strictly anaerobic bacteria, able to survive in the environment for a long period of time due to the ability of creating conditions of unfavourable endospores. It may cause wound infections or nosocomial infections and food poisoning as a result of consuming food or water contaminated with spores that are resistant to temperature and disinfection [2, 4, 7].

The risk of infecting the environment with pathogens originating from sewage sludges requires seeking more and more new methods to improve their sanitary status.

Some of the methods used in sewage biotechnology are used for sewage sludges disintegration. Among the used and examined disintegration methods, the following shall be mentioned: thermal energy [8, 9], enzymes [10, 11], ozonation [12, 13], acidification [14], alkalization [15], the use of high pressure [16 – 18], mechanical grinding [19], ultrasounds [20 – 24], hydrodynamic cavitation [25 – 27], microwave radiation [27 – 31].
As a result of disintegration the disruption of cell envelopes takes place (cytoplasmic membrane and / or cell wall), which causes the destruction of microorganisms and thus the release of the organic substrate and intracellular enzymes into the environment [31].

On this basis, the concept of the use of dry ice to hygienization of surplus activated sludge was revealed.

Dry ice is a carbon dioxide in the solid state which is formed by expansion of liquid carbon dioxide under normal conditions (temperature of 273 K, pressure of 1013.25 hPa). The dry ice sublimes at -78.5°C and a pressure of 1013.25 hPa. Its heat of sublimation is 573 kJ, which means that it is approximately 3.3 times more effective coolant than water ice (with the same volume). Its specific gravity comprises in the range from 1.2 kg/dm3 to 1.6 kg/dm3, and its hardness on the Mohs scale is 2, which corresponds to the hardness of gypsum. It is anhydrous, non-flammable, non-toxic and has no smell or taste. [32]

It is widely used as a coolant in laboratories, industrial cold rooms, alone or as a constituent of cooling mixtures, and prevents the growth of fungi and bacteria; therefore it is used for transportation of perishable food products. In temperature baths, dry ice is usually used in the form of cooling mixture, consisting of crushed dry ice and organic solvent of a low freezing point (> -80°C), for example, acetone or ethanol [33]. Today it is also used for industrial cleaning.

The aim of the study was to demonstrate the destructive effect of dry ice on the structure of surplus activated sludge, shown by the release of organic matter, changes in turbidity of supernatant liquor and hygienization.

Prace dyplomowe inżynierskie

Temat 1.
Wpływ dezintegracji osadu nadmiernego suchym lodem na liczebność bakterii Clostridium perfringens.

Celem pracy było określenie możliwości zastosowania suchego lodu do higienizacji osadu czynnego nadmiernego oraz wyznaczenie optymalnego stosunku objętościowego osadu czynnego nadmiernego do suchego lodu warunkującego uzyskanie jak największych efektów higienizacji.

Wpływ dezintegracji suchym lodem na kondycję mikroorganizmów osadu ściekowego oceniono na przykładzie bakterii Clostridium perfringens. Określono także zmianę ogólnej liczebności bakterii w osadach poddanych higienizacji suchym lodem.

DEZINTEGRACJA OSADU NADMIERNEGO SUCHYM LODEM
Suchy lód to zestalony dwutlenek węgla, który powstaje w wyniku sprężania gazowego dwutlenku węgla do postaci ciekłej, a następnie rozprężania ciekłego dwutlenku węgla w warunkach normalnych (temperatura 273 K, ciśnienie 1013,25 hPa). Efekt zestalenia jest wynikiem usunięcia ciepła wytworzonego przy kompresji gazowego CO2 oraz obniżenia temperatury wskutek rozprężania cieczy i szybkiego parowania stanu gazowego (Cotton i in., 1995).

Cechą charakterystyczną suchego lodu jest zdolność do sublimacji. Przechodzi z fazy stałej w fazę gazową w warunkach ciśnienia atmosferycznego z pominięciem fazy ciekłej w temperaturze – 78,5°C. Ciepło sublimacji suchego lodu wynosi 573 kJ, co sprawia, że stanowi on ok. 3,3 razy efektywniejszy czynnik chłodniczy w porównaniu z lodem wodnym (przy tej samej objętości). Gęstość granulatu to ok. 1300 kg/m3, a jego twardość w skali Mohsa wynosi 2, co odpowiada twardości gipsu (Kozłowski i Gutowski, 1996).

Suchy lód jest całkowicie naturalnym produktem. Jest bezwodny, niepalny, nietoksyczny oraz nie posiada smaku ani zapachu, dzięki czemu dopuszczany jest do kontaktu z artykułami spożywczymi. Wytwarza ponadto bakteriostatyczną atmosferę, która poprawia jakość chłodzonych produktów zapobiegając ich utlenianiu (Cotton i in., 1995). Stosowany jest powszechnie jako środek chłodzący w laboratoriach, chłodniach przemysłowych samodzielnie lub jako składnik mieszanin oziębiających. W łaźniach laboratoryjnych stosuje się go zazwyczaj w postaci mieszaniny chłodzącej, składającej się z rozdrobnionego suchego lodu i rozpuszczalnika organicznego o niskiej temperaturze krzepnięcia (> -80° C), np. aceton lub etanol (Jean i in., 2001). Suchy lód wykorzystywany jest również jako środek czyszczący linie produkcyjne, hale przemysłowe oraz powierzchnie urządzeń i wyrobów z aluminium, stali, mosiądzu i żeliwa. Usuwa powłoki lakierowe, zabrudzenia w bruku oraz produkty korozji. Innowacyjnym zastosowaniem jest wykorzystanie suchego lodu do przeróbki osadów ściekowych.

Rezultaty kondycjonowania osadów ściekowych przy użyciu suchego lodu zostały przedstawione przez Department of Chemical Engineering at National Taiwan University w 2001 roku na podstawie przeprowadzonych badań termicznej dezintegracji osadu przez zamrażanie. Testowi zamrażania zostały poddane cztery próbki osadu: zużyty osad czynny, osad tłusty, osad surowy oraz osad po strącaniu chemicznym (Jean i in., 2001). Osady zamrażano w cylindrycznych komorach a suchy lód wstępnie rozdrobniono na kostki o wymiarach ok. 1 cm (Jean i in., 2001). W trakcie testu przyjęto cztery możliwości kontaktowania surowych osadów z suchym lodem. Trzy z nich umożliwiły bezpośredni kontakt, czwarta konfiguracja jedynie pośredni (Jean i in.,2001):
Warstwę ok. 3 cm badanego osadu (200 g) o temperaturze pokojowej wylano na warstwę suchego lodu (1,75 g) umieszczoną na dnie cylindrycznej komory. Czas kontaktu to 6 godzin.
Na warstwę suchego lodu (2,75 g) wylewano kolejno warstwy osadu o grubości ok. 1 cm. Każda z warstw została naniesiona dopiero po całkowitym zamarznięciu poprzedniej. Wykorzystano 200 g osadu. Czas kontaktu to 2 godziny.
Wykorzystano cztery warstwy suchego lodu (18,75 g) i trzy warstwy surowego osadu o grubości ok. 1 cm. Umieszczano je cylindrze na przemian, zaczynając od suchego lodu, co zapewniło kontakt z obu stron. Czas kontaktu 15-20 minut.
Osad oleisty umieszczony w cylindrze zanurzono jedynie w basenie z suchym lodem, co uniemożliwiło bezpośredni kontakt.
Wszystkie próby zostały odmrażane przez 24 godziny w temperaturze pokojowej, po czym dla każdej z nich wykonano pomiar czasu ssania kapilarnego, szybkości sedymentacji, wysokości warstwy sedymentacyjnej po 24 godzinach, zawartości substancji stałych oraz analizowano strukturę kłaczków (Jean i in.,2001). Dla porównania wykonano także test zamrażania osadów poprzez schłodzenie powietrzem i oddziaływanie ciekłym azotem (Jean i in., 2001).

Otrzymane wyniki jednoznacznie wskazały poprawę właściwości sedymentacyjnych wszystkich spośród badanych osadów oraz istotne zmniejszenie ich odwodnienia. Prędkość opadania cząstek wszystkich osadów wzrosła kilkukrotnie w porównaniu z osadem niedezintegrowanym np. dla osadu chemicznego wyniosła 94 (μm/s) a po dezintegracji osiągnęła 390÷455 (μm/s) w zależności od zastosowanej metody mrożenia (Jean i in., 2001). Czas ssania kapilarnego osadów zmniejszył swoją wartość, co oznacza że osad łatwiej oddawał ciecz osadową. Największy spadek zanotowano w przypadku osadu surowego doprowadzanego do układu oczyszczania tj. z 230 (s) dla osadu niedezintegrowanego na 38÷46 (s) dla osadu wymrażanego (Jean i in., 2001). Zawartość suchej masy w osadzie czynnym wzrosła o kilka procent tj. z 6 % niepreparowanego osadu na 11÷18% po dezintegracji. Podobnie w przypadku pozostałych prób (Jean i in., 2001).

Oddziaływanie na osad ściekowy suchym lodem jest skuteczniejszą metodą dezintegracji w porównaniu z wymrażaniem przez ciekły azot. Nie pozwala jednak uzyskać takich efektów jak zastosowanie zamrażarek (Jean i in., 2001).

Temat 2.
Oddziaływanie dezintegracji osadu nadmiernego suchym lodem na liczebność bakterii Escherichia coli

Celem pracy była próba wykazania destrukcyjnego wpływu suchego lodu na kłaczki osadu czynnego nadmiernego oraz na jego higienizację w zależności od dawki zestalonego CO2 jako czynnika dezintegrującego.
W części pierwszej – teoretycznej przedstawione zostały zagadnienia dotyczące osadów ściekowych, ich cech, ilości, metod przeróbki i dezintegracji oraz sposobów wykorzystywania. Zawarto tutaj również charakterystykę mikrobiologiczną osadów.
W części drugiej – badawczej szczegółowo opisana została wykorzystana metoda dezintegracji osadu nadmiernego za pomocą suchego lodu. Przedstawiono wyniki przeprowadzonych badań chemicznych cieczy nadosadowej: mętności oraz odczynu. Badania mikrobiologiczne dotyczyły wpływu dezintegracji osadu ściekowego zestalonym CO2 na liczebność wybranych bakterii obecnych w osadzie: Escherichia coli, Sallmonella, Schigella, pałeczki laktozododatnie i laktozoujemne oraz ogólną liczbę bakterii w 1 g osadu nadmiernego. W części tej została także przedstawiona obserwacja mikroskopowa osadu czynnego nadmiernego przed i po dezintegracji suchym lodem.