Provoz a řízení aktivačního procesu pomocí mikrobiologické analýzy

Provoz a řízení aktivačního procesu pomocí mikrobiologické analýzy Školení účastníků projektu „Inovace a rozvoj výuky ekoinovací v bakalářských oborech akreditovaných na FTOP VŠCHT Praha“

Hana Stryjová

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

O akci • 18. – 22. června 2012; • Perugia (Itálie); • 23. ročník mezinárodního kurzu „Operation and control of activated sludge processes using microbiological analysis“.


O organizaci • Organizováno Scuola Umbra di Amministrazione Pubblica; • Školící středisko pro zaměstnance státní správy – cca 10 stálých zaměstnanců, lektory si najímají na konkrétní akce; • V roce 2010 – 14 500 hodin kurzů, školeno 11 700 účastníků; • Lokace: Villa Umbra – Pila od roku 1997.


Kurz – Provoz a řízení aktivačního procesu pomocí mikrobiologické analýzy • cca 30 účastníků; • Kurz určen pro projektanty a technology ČOV, mikrobiology laboratoří vod a čistíren OV.


Tematické zaměření kurzu • 2 moduly: - základní – 2 dny přednášek na téma aktivovaný kal a operační problémy procesu (zaměřeno na separační problémy); - praktický – 2,5 dne laboratorních cvičení a mikroskopických pozorování aktivovaných kalů + demonstrace fluorescenční in situ hybridizace (FISH).


Základní modul – 1. den • Aktivační proces – uvedení do tématiky; • Společenství aktivovaného kalu – role hlavních mikrobiálních společenstev v čistírenském procesu; • Protozoa jako indikátor kvality aktivovaného kalu; • Dosazovací nádrž – konstrukce, analýzy, látkový tok, nejčastější problémy; • Znovuvyužití zdrojů z městských čistíren odpadních vod; • Vliv konfigurace systému na růst mikroorganismů.


Základní modul – 2. den • Vláknité bytnění aktivovaného kalu; • Identifikace vláknitých mikroorganismů (VM) – doplnění prázdných míst; • Pěnění; • Nové technologie aktivovačního procesu; • Mikrobiologické studie mikrobiálních komponent aktivovaného kalu; • Představení a řešení problémů jednotlivých účastníků.


Praktický modul – 3. a 4. den • Laboratorní praktická výuka – zaměřeno na mikroskopický rozbor a identifikace jednotlivých VM (Beggiatoa, Fungi, H. hydrossis, M. parvicella, Mycalata-Nocardioforms, Nostocoida limicola, Sphaerotilus natans, Thiotrix I a II, Typ 021N, Typ 0092, Typy 0041 a 0675, Typ 0914, Typ 1851;

• Rozbor vzorků účastníků kurzu a diskuze řešení jejich problémů. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Praktický modul – 5. den • Přednášky: - Aplikace epifluorescenční mikroskopie na aktivovaný kal; - FISH protokol a definice genetických sond. • Ukázka a demonstrace FISH analýzy.

Čtvercové foto: Seviour (2012); FISH and Probe design, Perugia. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Provoz a řízení aktivačního procesu pomocí mikrobiologické analýzy 1/2

• Současný výzkum se zaměřuje na: - klasifikaci jednotlivých dosud nepopsaných typů VM (molekulární biologie);

- izolaci dosud nezámých a nepopsaných mikroorganismů; - optimalizaci procesu za účelem potlačení problémů a úspory energie; - zkoumání alternativních technologií, které jsou účinnější a/nebo úspornější. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Provoz a řízení aktivačního procesu pomocí mikrobiologické analýzy 2/2 • Význam pro FTOP: - jsme pozadu? // Ne; - bylo by vhodné se tématu více na fakultě věnovat? // Ano, téma stále aktuální a dosud mnoho problémů nebylo zkoumáno; - je to významné pro praxi absolventů? // Ano, jedná se o studium jevů z praxe. • Aktivační proces je celosvětově používaná biotechnologie a téma je aktuální i v ČR. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Trendy výzkumu • Popsání dosud fylogeneticky nezařazených typů VM na základě genetické informace. • Identifikace dosud neznámých mikroorganismů. • Optimalizace podmínek procesu – potlačení problémů. • Částečná nitrifikace a anammox proces. • Znovuvyužívání surovin – srážení fosforu. • Znovuvyužívání vyčištěné odpadní vody. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Popsání fylogeneticky nezařazených druhů 1/3 • Dosud identifikace vláknitých mikroorganismů na základě morfologických znaků a reakce na barvící techniky. • Mnoho jedinců známo pod názvy morfotypů, nemají konkrétní název, např. Typ 021N, 0803, 0041, atd. - některá morfologicky podobná vlákna mohou být dost odlišné bakterie. => popsání na základě genu (16S rRNA) - ve všech bakteriích, více informací, stabilní. Evropský sociální fond - snaha vykultivovat Praha & EU:(mikromanipulace); Investujeme do vaší budoucnosti

Popsání fylogeneticky nezařazených druhů 2/3 • 



Předmětem výzkumu je: snaha mikroorganismy vykultivovat (mikromanipulace); popsání genomu; navržení genových sond pro identifikaci (FISH). S pomocí 16S rRNA informace popsány: Candidatus ´Microthrix parvicela´, Typ 0041 – Chloroflexi, Typ 1851 – Chloroflexi, Nostocoida limicola III, mnoho Alphaproteobacteria. Dosud nikdy nevykultivovány a nezařazeny Typ 0092, Typ 0914 a Typ 0803. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Popsání fylogeneticky nezařazených druhů 3/3 Potřeby výzkumu: na FTOP – dostatečné vybavení a tým pro identifikaci dosud popsaných, nedostatečné pro detekci nových druhů. Identifikace VM - důležitá i v praxi pro popsání příčiny problému. Nielsen, Daims. Lemmer (2009): FISH Handbook for Biological Wastewater Treatment, IWA Publishing. Speirs, Mcllroy, Petrovski, Seviour (2010): The acitvated sludge bulking filament Eikelboom morphotype 0914 is a member of the Chloroflexi, Environmental Microbiology Reports, Vol.3, p.159. Speirs, Nittami, McIlroy, Schroeder, Seviour (2009): Filamentous bacterium Eikelboom type 0092 in activated sludge plants in Australia is a memeber of the phylum Chloroflexi, Applied and Environmental Microbiology, Vol.75,p.2446. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Popsání dosud neznámých mikroorganismů 1/2 • Dříve identifikace mikroorganismů kultivačními technikami: - mnoho mikroorganismů obtížně kultivovatelných ze směsné kultury; • Nové molekulárně-biologické metody umožňují detekci i nekultivovatelných mikroorganismů – pro získání genetické informace nutné získat čistou kulturu; • Oblasti výzkumu zaměřeny např. na mikroorganismy biologického cyklu fosforu a technologicky významné Archaea. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Popsání dosud neznámých mikroorganismů 2/2 Potřeby výzkumu: na FTOP – vybavení a tým pro identifikaci dosud popsaných, nedostatečné pro detekci nových druhů. Identifikace a popsání nových druhů – důležité pro správné pochopení biologického procesu, pro praxi spíše informativní charakter. Muyzer, de Waal, Uitterlinden (1993): Profiling of complex microbial populations by denaturing gradient gel electrophoresis analysis of polymerase chain reaction-amplified genes coding for 16S rRNA, Appl. Environ. Microbiology, vol.59,p.695-700. Nielsen, Daims. Lemmer (2009): FISH Handbook for Biological Wastewater Treatment, IWA Publishing. Šmarda, Dostál, Pantůček, Růžičková, Koptíková (2005): Metody molekulární biologie, MU Brno. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Optimalizace podmínek procesu 1/3 • Zaměřeno na separační problémy způsobené nadměrným růstem vláknitých mikroorganismů.


Optimalizace podmínek procesu 2/3 • Mnoho systémů nevhodně navržených nebo špatně provozovaných => separační problémy. • Monitoring přítomných VM + hledání a popsání příčiny. • Navržení řešení a sledování situace po zásahu. Jenkins, Richard, Daigger (2004): Manual on the causes and control of activated sludge bulking, foaming, and other solids separation problems, 3rd edition, CRC Press New York. Jenkins, Ramadori, Cingolani (1992): Prevention and control of bulking activated sludge, Proceeding of the International Workshop, IAWQ Italian National Commitee, Perugia. Jenkins, Ramadori, Cingolani (1993): Design and operational experience of treatment plants for nutrient removal from wastewater, Proceeding of the International Workshop, IAWQ Italian National Commitee, Perugia. Tandoi, Jenkins, Wanner (2006): Activated sludge separation problems, IWA Publishing. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

.

Optimalizace podmínek procesu 3/3

Potřeby výzkumu: na FTOP - technologicky zaměřená pracoviště, vybavení i tým dostatečného rozsahu. V současnosti probíhá několik projektů, které se snaží optimalizovat biologické procesy a navrhnout řešení stávajících problémů. Pro absolventy nastupující do technologických pozic – velmi aktuální téma, aplikovatelné i v praxi.


Částečná nitrifikace a anammox proces 1/3 • Odstraňování dusíkatého znečištění (nitrifikace + denitrifikace) – nákladné. • Hlavní výhody technologie - úspora energie a nižší produkce čistírenského kalu. • Oxidace amoniakálního dusíku pouze na dusitany s následným procesem anammox (anaerobic ammonia oxidation), což je konverze dusitanů a amoniakálního dusíku na N2.


Částečná nitrifikace a anammox proces 2/3 • Aplikace technologie: - několik plnoprovozů (zejména v Nizozemí) – anammox ve formě granulovaného kalu; - ANITATM MOX – nárůstový biofilm nitritačních a anammox bakterií na nosičích AnoxKaldnes; - DEMON systém – nitritační a anammox bakterie v granulích. • Nejčastěji na čištění kalové vody z anaerobního zpracování čistírenských kalů. Anita Mox [Online]. Cit. [2012-09-20], Available: . The DEMON-system [Online]. Cit. [2012-09-20], Available: . Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Částečná nitrifikace a anammox proces 3/3

Potřeby výzkumu: - problematická je kultivace extrémně pomalurostoucích anammox bakterií, které jsou značně citlivé na podmínky prostředí; - na FTOP – vše nezbytné k výzkumu přítomno (provoz modelů, analytické i kinetické analýzy a sledování diverzity populací). Letos se začal řešit projekt na toto téma. V současnosti v ČR není plný provoz této technologie. V Evropě již několik realizací, znalost technologie do budoucna určitě přínos. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Znovuvyužívání fosforu 1/2 • Odstraňování srážením – nejlepší srážet vápnem (biologicky nejdostupnější). • Biologické odstraňování – inkorporace do biomasy, poly-P (polyfosfátakumulující) bakterie až 10 % fosforu v sušině. • Možná krystalizace - např. jako struvit (NH4)Mg[PO4].6H20 – využití jako hnojivo. Výzkumy převážně zaměřeny na nejlevnější zdroj hořčíku (v odpadní vodě nedostatek).


Znovuvyužívání fosforu 2/2 Potřeby výzkumu: na FTOP – vše přítomno (analytické vybavení, koagulační lavice, mikroskop na pozorování vznikajících krystalů). V současnosti v ČR není provozní aplikace na srážení struvitu. Znalost tématu může prospět při zavádění do praxe.

Corre, Valsami-Jones, Hobbs, Parsons (2009): Phosphorus recovery from wastewater by struvite crystallization: a reviw, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, vol. 39,issue6. Shu, Schneider, Jegatheesan, Johnson (2006): An economic evaluation of phosphorus recovery as struvite from digester supernatant, Bioresource Technology, vol. 97, issue 17. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Znovuvyužívání vyčištěné odpadní vody 1/3 • V zemích s nedostatkem vodních zdrojů: např. Singapur – NEWater: - biologické čištění na ČOV; - mikrofiltrace/ultrafiltrace (odstranění nerozpuštěných částic, virů a bakterií); - reverzní osmóza (odstranění bakterií, virů, těžkých kovů, chloridů, pesticidů....); - desinfekce UV zářením; - úprava pH. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Znovuvyužívání vyčištěné odpadní vody 2/3 • Finanční úspora 50 – 60 % oproti desalinaci mořské vody. • Singapur platí Malajsii za odběr vody z řek. • Současná kapacita cca 76 000 m3/den.

• Primárně průmyslové využití. • Pro pitné účely mícháno pouze 1 % s pitnou vodou.

Foto: We drank the Cool Aid in Singapore [Online blog]. The Business of Water. Cit. [2011-04-02]. Water Management Issues in Singapore [Online]. Lee Poh Onn (2005), Centre for Khmer Studies. PUB, Singapores national water agency [Online]. Cit. [2012-09-20], Available: . Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Znovuvyužívání vyčištěné odpadní vody 3/3 Potřeby výzkumu: na FTOP – probíhá rozsáhlý výzkum na téma zlepšení kvality upravené a vyčištěné vody. Význam pro absolventy – s ohledem na rostoucí nároky na kvalitu vypouštěných vod a rostoucí ceny pitné a užitkové vody nabývá toto téma na aktuálnosti.


Vystavené zařízení Na kurzu jsme se mohli seznámit s tímto zařízením: • Světelný mikroskop Olympus (www.olympus.com) –2x - mikroskopická analýza nativních a barvených preparátů

• Epifluorescenční mikroskop Olympus (www.olympus.com) –2x - FISH analýza Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Poznatky z kurzu se hodí zařadit jako ekoinovace do následujících předmětů fakulty • • • • •

Základy čištění odpadních vod Průmyslové odpadní vody Mikrobiologie Decentralizované zpracování odpadních vod Ochrana čistoty vod


Ekoinovace pro předmět

Základy čištění odpadních vod • Popis separačních problémů a jejich příčin; Jenkins, Richard, Daigger (2004): Manual on the causes and control of activated sludge bulking, foaming, and other solids separation problems, 3rd edition, CRC Press New York.

• Hodnocení pomocí mikrobiologického rozboru; Jenkins, Richard, Daigger (2004): Manual on the causes and control of activated sludge bulking, foaming, and other solids separation problems, 3rd edition, CRC Press New York.

• Anammox proces jako alternativa k nitrifikaci a denitrifikaci; • Znovuvyužívání fosforu – srážení struvitu; • Popsání dosud neznámých mikroorganismů. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti


Průmyslové odpadní vody • Průmyslové vody obsahující vysoké koncentrace fosforu – znovuvyužívání. Srážení struvitu. • Průmyslové odpadní vody často při biologickém čištění problémy s vláknitými mikroorganismy – separační problémy. Jenkins, Richard, Daigger (2004): Manual on the causes and control of activated sludge bulking, foaming, and other solids separation problems, 3rd edition, CRC Press New York.



Mikrobiologie 1/2 • Principy a využití molekulární biologie v technologii vody, FISH a PCR (polymerázová řetězová reakce). • Popis a identifikace VM mikroskopicky: - mikroskopický rozbor aktivovaného kalu včetně popsání základních typů VM; - FISH analýza. • Jak identifikovat nový, dosud nepopsaný mikroorganismus z biomasy (např. aktivovaný kal)? Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti


Mikrobiologie 2/2 Jenkins, Richard, Daigger (2004): Manual on the causes and control of activated sludge bulking, foaming, and other solids separation problems, 3rd edition, CRC Press New York. Muyzer, de Waal, Uitterlinden (1993): Profiling of complex microbial populations by denaturing gradient gel electrophoresis analysis of polymerase chain reaction-amplified genes coding for 16S rRNA, Appl. Environ. Microbiology, vol.59,p.695-700. Nielsen, Daims. Lemmer (2009): FISH Handbook for Biological Wastewater Treatment, IWA Publishing. Šmarda, Dostál, Pantůček, Růžičková, Koptíková (2005): Metody molekulární biologie, MU Brno.



Decentralizované zpracování odpadních vod • Fosfor esenciální prvek, limitující pro růst mnoho organismů; • Nezbytné hnojivo, v současnosti hlavní zdroj – horniny bohaté na fosfor. V horizontu 20 let – nuno hledat náhrady; • Znovuvyužívání fosforu: - srážení struvitu (NH4)Mg[PO4].6H20 Cordell (2010): The story of phosphorus: Sustainability implications of global phosphorus scarcity for food security, doctoral thesis, Linköping University, Sweden. Corre, Valsami-Jones, Hobbs, Parsons (2009): Phosphorus recovery from wastewater by struvite crystallization: a reviw, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, vol. 39,issue6. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti


Ochrana čistoty vod • Separační problémy na ČOV zhoršují kvalitu recipientu a zvyšují trofii vod. • Vypouštění vysokých koncentrací fosforu do recipientu způsobuje růst sinic a řas – možná příčina eutrofizace.


Celkové shrnutí kurzu • Velmi podnětné, navázány kontakty se zahraničními pracovišti, která se problematikou zabývají. • Nejzajímavější – diskuze s odborníky, ze kterých vyplynuly potenciální témata na projekty bakalářských prací zabývající se problematikou vláknitých mikroorganismů a separačních problémů. • Kurz doporučuji (poměrně úzké odborné zaměření).


Děkuji za pozornost


Provoz a řízení aktivačního procesu pomocí mikrobiologické analýzy

Recommend Documents