Interactions of S-compound transformation and anaerobic degradation of organic compounds
Interakce transformací sirných sloučenin a anaerobního rozkladu organických látek
Vedoucí/Supervisor
Prof. Ing. Jana Zábranská CSc.
Jazyk/Language
Czech
Abstrakt
Na rozdíl od znečištění organickými látkami, dusíkem a fosforem je věnována znečištění sirnými sloučeninami podstatně menší pozornost. Přesto hraje biochemický cyklus síry v čistírenských procesech významnou roli a byla vyvinuta již řada biotechnologií na odstranění sirného znečištění. Biochemických přeměn síry se zúčastňuje několik rozdílných bakteriálních skupin, které pro svůj metabolismus využívají sloučeniny síry v různých oxidačních stupních.
V mnoha odpadních vodách se vyskytují vysoké koncentrace oxidovaných forem síry, jako jsou sírany. Vody obsahující sírany nepředstavují pro životní prostředí nebezpečí. Hlavní problémem takovýchto vod je jejich anaerobní zpracování, při kterém vzniká činností sulfátredukujících bakterií sulfan – sloučenina která může být toxická pro bakteriální společenstva zúčastněná v anaerobním procesu. Sulfan a jeho iontové formy podléhají za přítomnosti kyslíku biochemické a chemické oxidaci. Bezbarvé sirné bakterie, které jsou latentně přítomny ve směsné kultuře, se v přítomnosti i nízké koncentrace kyslíku aktivují a oxidují přítomné sulfidy. Produktem může být elementární síra, která není toxická, není rozpustná a zatěžuje kal, který velmi dobře sedimentuje. Společně s kalem pak může být ze systému odstraněna.
Předložená práce se zabývá především vzájemnými vztahy jednotlivých bakteriálních skupin v anaerobním technologickém ekosystému a jejich ovlivnění fyzikálními i chemickými podmínkami.
Počáteční pokusy byly věnovány studiu chování sulfátredukujících bakterií. Při termofilních podmínkách (55 °C) byla pozorována významná inhibice jejich aktivity. Termofilní podmínky sice zcela nepotlačí negativní vliv činnosti SRB, přesto má zvýšená teplota anaerobní stabilizace pozitivní vliv jak na produkci bioplynu tak na produkci methanu.
Byl zkoumán anaerobní rozklad reálné odpadní vody obsahující vysoké koncentrace organických látek a významné množství sirných sloučenin. Další pokusy byly zaměřeny na minimalizaci vzniku sulfidické síry a potlačení negativního vlivu na proces methanizace. Byl zkoušen vliv přídavku železité soli a byl pozorován významný pozitivní vliv na methanogenní proces.
Hlavní pozornost byla zaměřena na možnosti využití mikroaerace anaerobní fermentační směsi. Nejprve byly zjišťovány možnosti sledování a hodnocení biochemických procesů souvisejících s mikroaerací anaerobní kultury (proces oxidace sulfidické síry, využití dávkovaného kyslíku fakultativními anaerobními a mikroaerofilními organismy). Provedené vsádkové pokusy byly zaměřeny na sledování vlivu dávkovaného kyslíku na methanizaci a oxidaci sulfidické síry při třech substrátově odlišných podmínkách. Získané výsledky doplnily chybějící informace o chování mikroaerované anaerobní kultury, které budou využitelné při provozních aplikacích této ekonomicky přijatelné a provozně nenáročné metody minimalizace sulfidické síry.
Abstract
In contrast to enormous efforts dedicated to the abatement of pollution by organic compounds, nitrogen and phosphorus, treatment of sulphur pollution has received rather limited attention. Nevertheless, a whole spectrum of environmental technologies has recently been developed. There are several different groups of bacteria, which are involved in the biochemical sulphur cycle. Each of them are specialised to use sulphur compounds in their different redox state.
Sulphur compounds in high redox state (i.e. sulphate) are a common constituent of many wastewaters, and are sometimes present in high concentrations. The damage caused by sulphate emissions is not direct, since sulphate is a non-toxic compound. When sulphate (and other sulphur containing compounds) is present in the wastewater, sulphate reducing bacteria (SRB) during anaerobic treatment are able to couple the oxidation of organic compounds and hydrogen to sulphate reduction. End product of this reduction is hydrogen sulphide, which can cause several problems in anaerobic digestion. Sulphide oxidation precedes both biologically and chemically. Biological sulphide oxidation in wastewater treatment systems is typically associated with the activity of colourless sulphur bacteria. This bacterial group can oxidize sulphides to elemental sulphur even under low concentration of oxygen. Elemental sulphur is non-toxic, insoluble and has good sedimentation quality.
Main theme of this thesis is focused on studying of relationships among bacterial groups in anaerobic suspended culture and their behaviour under different chemical and physical conditions.
Preliminary experiments were focused on behaviour of sulphate reducing bacteria. Notable inhibition of their activity was observed under thermophilic conditions (55 °C). Nevertheless, the negative influence of SRB activity wasn’t totally reduced. Elevated temperature has positive influence both on biogas and methane production.
The anaerobic degradation of organic sulphate-rich waste material was investigated. The next experiments were focused on sulphide minimization and decrease of the negative influence on the methanogeneze. The effect of the Fe3+ salt addition was tested and the notable positive effect on methane production was observed.
The main attention was paid to the possibility to use microaeration of the anaerobic suspended culture. Preliminary experiments were focused on observation of bacterial groups involved in studied process. Two different methods for specific sulphide (and oxygen) consumption rate were tested and optimized. The further experiments were focused on determining the effect of O2 on the anaerobic suspended mesophilic culture under three different substrate conditions: 1) without organic substrate and sulphur compounds, 2) minimum concentration of sulphur compounds with organic substrate and 3) high concentration of sulphur compounds with organic substrate. The useful information about behaviour of the microaerated anaerobic biomass was observed. Results can be usable in full-scale applications of this biological sulphide removal method which is economically acceptable and easy in operation.