Provoz a řízení aktivačního procesu pomocí mikrobiologické analýzy

Transkript

1 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

2 O akci června 2012; Perugia (Itálie); 23. ročník mezinárodního kurzu Operation and control of activated sludge processes using microbiological analysis.

3 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 hodin kurzů, školeno účastníků; Lokace: Villa Umbra Pila od roku 1997.

4 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.

5 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).

6 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.

7 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.

8 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.

9 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.

10 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.

11 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.

12 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.

13 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. - snaha vykultivovat Praha & EU:(mikromanipulace); Investujeme do vaší budoucnosti

14 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.

15 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.

16 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.

17 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 Nielsen, Daims. Lemmer (2009): FISH Handbook for Biological Wastewater Treatment, IWA Publishing. Šmarda, Dostál, Pantůček, Růžičková, Koptíková (2005): Metody molekulární biologie, MU Brno.

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

19 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.

20 . 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.

21 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.

22 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. [ ], Available: < The DEMON-system [Online]. Cit. [ ], Available: <

23 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.

24 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).

25 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.

26 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.

27 Znovuvyužívání vyčištěné odpadní vody 2/3 Finanční úspora % oproti desalinaci mořské vody. Singapur platí Malajsii za odběr vody z řek. Současná kapacita cca 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. [ ]. Water Management Issues in Singapore [Online]. Lee Poh Onn (2005), Centre for Khmer Studies. PUB, Singapores national water agency [Online]. Cit. [ ], Available: <

28 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.

29 Vystavené zařízení Na kurzu jsme se mohli seznámit s tímto zařízením: Světelný mikroskop Olympus ( 2x - mikroskopická analýza nativních a barvených preparátů Epifluorescenční mikroskop Olympus ( 2x - FISH analýza

30 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

31 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.

32 Ekoinovace pro předmět 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.

33 Ekoinovace pro předmět 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)?

34 Ekoinovace pro předmět 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 Nielsen, Daims. Lemmer (2009): FISH Handbook for Biological Wastewater Treatment, IWA Publishing. Šmarda, Dostál, Pantůček, Růžičková, Koptíková (2005): Metody molekulární biologie, MU Brno.

35 Ekoinovace pro předmět 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.

36 Ekoinovace pro předmět 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.

37 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).

38 Děkuji za pozornost