FUNKČNÍ VZOREK BIOKATALYZÁTORY LENTIKATS VYUŽÍVAJÍCÍ IMOBILIZOVANÉ NITRITAČNÍ A DEAMONIFIKAČNÍ BAKTERIE PRO KONTEJNEROVOU TECHNOLOGII ČIŠTĚNÍ PRŮMYSLOVÝCH ODPADNÍCH VOD AUTOŘI: Radek Stloukal 1, Jan Mrákota 1, Petr Kelbich 2, Michal Rosenberg 3, Jarmila Watzková 1 1 LentiKat s a.s. Pod Vinicí 83, 471 27 Stráž pod Ralskem (CZ) Tel.: +420 255 710 680, Fax: +420 255 710 699 E-mail: info@lentikats.eu, Web: www.lentikats.eu 2 Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Fakulta technologie ochrany prostředí Technická 1905/5, 166 28 Praha 6 Dejvice (CZ) Tel.: +420 220 443 276, Fax: +420 233 335 216 Web: http://ftop.vscht.cz/ 3 Slovenská technická univerzita v Bratislavě Fakulta chemické a potravinářské technologie Radlinského 9, 812 347 Bratislava (SK) Tel.: +421 259 325 319, Fax: +421 252 495 381 Web: http://www.fchpt.stuba.sk/ Tento funkční vzorek vznikl za finanční podpory projektu Kontejnerová technologie pro čištění průmyslových odpadních vod (č. projektu FR-TI4/254) z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu České republiky v rámci programu TIP.
Číslo výsledku: Kontejner-2015-01 Garant výsledku: Ing. Radek Stloukal, Ph.D. Jazyk výsledku: CZE čeština Hlavní obor: EI Biovědy / Biotechnologie a bionika Rok uplatnění výsledku: 2015 Abstrakt výsledku česky: Předmětem prezentovaného funkčního vzorku jsou dva optimalizované Biokatalyzátory lentikats s imobilizovanými nitritačními a deamonifikačními bakteriemi pro kontejnerovou technologii čištění průmyslových odpadních vod. Klíčová slova výsledku česky: Biokatalyzátor lentikats, nitritace, deamonifikace, imobilizace, odpadní voda Název výsledku anglicky: Lentikats Biocatalysts uses immobilized nitritation and deamonification bacteria for packaged technology of industrial wastewater treatment Abstrakt výsledku anglicky: Subject of the presented functional sample are two optimized Lentikats Biocatalysts with immobilized nitritation and deamonification bacteria for packaged technology of industrial wastewater treatment. Klíčová slova výsledku anglicky: Lentikats Biocatalyst, nitritation, deamonification, immobilization, wastewater 2
Vlastník výsledku: LentiKat s a.s. Pod Vinicí 83, 471 27 Stráž pod Ralskem Tel.: +420 255 710 680 Fax: +420 255 710 699 E-mail: info@lentikats.eu Web: www.lentikats.eu IČ vlastníka výsledku: 27447618 DIČ vlastníka výsledku: CZ27447618 Lokalizace: LentiKat s a.s. Středisko výzkumu a vývoje INBIT LentiKat s (laboratoře), Kamenice 34, 625 00 Brno Stát: CZ Česká republika Využití výsledku jiným subjektem: N: využití výsledku jiným subjektem je možné bez nabytí licence Licenční poplatky: N: poskytovatel licence na výsledek nepožaduje licenční poplatek Technické parametry: Optimalizované Biokatalyzátory lentikats s imobilizovanými nitritačními (aktivita oxidace N-NH 4 + na N-NO 2-100-90 mg N- NH 4 + /kg BL.h) a deamonifikačními (aktivita odstranění N celk 300 mgn celk /kg BL.h) bakteriemi pro kontejnerovou technologii čištění průmyslových odpadních vod. Ekonomické parametry: Výrazný nárůst stability imobilizovaných bakterií a zefektivnění procesu odstraňování dusíkatého znečištění (pomocí dvou Biokatalyzátorů lentikats) za současné minimalizace investičních i provozních nákladů (Biotechnologie lentikats). Předpokládaná úspora v řádu několika desítek až stovek tisíc korun v závislosti na velikosti aplikace. Kategorie výsledku podle nákladů na jeho dosažení: A (do 5 mil. Kč) 3
PODSTATA TECHNICKÉHO ŘEŠENÍ K odstraňování dusíkatého znečištění zejména v podobě N-NH + 4 je v současné době využívána klasická biologická nitrifikace ve spojení s denitrifikací. Oba tyto procesy jsou náročné, jak z hlediska investičních (velikost reaktoru, strojní zařízení, zábor pozemku, aj.), tak i provozních nákladů (aerace, míchání, čerpání, dávkování externího organického substrátu, aj.). Principem procesu nitrifikace je úplná oxidace amoniakálního dusíku (N-NH + 4 ) za oxických podmínek na dusičnanový dusík (N-NO - 3 ), které jsou v následujícím kroku pomocí procesu denitrifikace redukovány za přítomnosti organického substrátu (BOD, CH 3 OH, atd.) na plynný dusík (N 2 ), který uniká do atmosféry, podle následujících rovnic: NITRIFIKACE Nitritace NH + 4 + 1/2 O 2 NO - 2 + H 2 O + 2 H + Nitratace NO - - 2 + 1/2 O 2 NO 3 DENITRIFIKACE Denitratace NO - 3 + 1/3 CH 3 OH NO - 2 + 1/3 CO 2 + 2/3 H 2 O Denitritace NO - 2 + 1/2 CH 3 OH 1/2 N 2 + 1/2 CO 2 + 1/2 H 2 O + OH - Nitrifikace je proces velmi citlivý na složení odpadní vody a ostatní parametry, jako je koncentrace rozpuštěného kyslíku, teplota, ph, přítomnost toxických či inhibičních látek a další. V případě průmyslových odpadních vod dochází v některých případech vedle inhibice nitrifikace také k inhibici denitrifikace kvůli nedostatku vhodného zdroje uhlíku substrátu, který je pak nutno do systému externě dodávat. Z tohoto pohledu se přímo nabízí využití tzv. anammox procesu (z angl. anaerobic ammonium oxidation) využívajícího deamonifikačních bakterií. K vytvoření funkčního modelu, kdy autotrofně (bez přítomnosti organického substrátu) a za anaerobně-anoxických podmínek probíhá konverze amonného (NH + 4 ) a dusitanového (NO - 2 ) iontu na dusík (N 2 ) pomocí deamonifikačních bakterií (Obr. 1), je však nutné zařadit mezistupeň tzv. částečné nitritace, tedy přeměny poloviny přitékajícího amoniakálního dusíku za přítomnosti kyslíku na dusitany pomocí nitritačních bakterií, které v deamonifikačním procesu dále reagují se zbylou polovinou amoniakálního dusíku za vzniku plynného dusíku unikajícího do atmosféry, podle následujících rovnic: 4
NITRITACE NH 4 + + 1/2 O 2 NO 2 - + H 2 O + 2 H + DEAMONIFIKACE NH 4 + + NO 2 - N 2 + 2H 2 O. Obr. 1: Schematické znázornění klíčových procesů Současným celosvětovým trendem v oblasti čištění odpadních vod je minimalizace jednak provozních, ale také investičních nákladů. Z těchto důvodů byl navržen a v pilotním měřítku na reálné odpadní vodě také ověřen systém využívající kombinaci nitritačního a deamonifikačního Biokatalyzátoru, kdy byly do polyvinyl alkoholové (PVA) matrice, tzv. Biokatalyzátorů lentikats, imobilizovány nitritační nebo deamonifikační bakterie. Imobilizace nitritačních a deamonifikačních bakterií do PVA matrice, přináší bezesporu několik základních výhod. Tento způsob imobilizace je velmi univerzální. Nosič z PVA matrice se vyznačuje vysokou mechanickou stabilitou a celkově příznivými fyzikálně-mechanickými vlastnostmi, které zaručují stálou difúzi substrátu k imobilizované biomase. Imobilizací potřebných bakterií do nosiče je možné několikanásobně zkrátit dobu nájezdu technologie na plnou kapacitu odstraňování amoniakálního dusíku (i při použití inokula trvá nárůst deamonifikační biomasy měsíce až roky). Imobilizace do nosiče neovlivňuje aktivitu imobilizované biomasy a navíc se snadno separuje od provozního média. V rámci tohoto funkčního vzorku byla ve výrobním závodě provedena optimalizace imobilizace nitritačních a deamonifikačních bakterií do PVA matrice, v laboratorním měřítku pak optimalizace podmínek kultivace imobilizovaných bakterií a na závěr také optimalizace celého procesu tzv. Biotechnologie lentikats v reálných provozních podmínkách na čistírně odpadních vod (Brno Modřice). Byla ověřena velkokapacitní výroba obou typů 5
biokatalyzátorů, jejich kultivace i použití na odstraňování amoniakálního znečištění z kalové vody na reálné čistírně odpadních vod. U obou typů Biokatalyzátorů lentikats byla ověřena zvýšená metabolická stabilita bakterií po imobilizaci do PVA matrice a zefektivnění celého procesu odstraňování dusíkatého znečištění z průmyslových odpadních vod pomocí kontejnerové technologie. POPIS FUNKČNÍHO VZORKU Výroba Biokatalyzátoru lentikats Standardní postup výroby Biokatalyzátoru lentikats se sestává ze sedmi fází: Fáze 1: Příprava zásobního PVA gelu Fáze 2: Chlazení a temperace zásobního PVA gelu Fáze 3: Vmíchání roztoku čisté kultury bakterií a homogenizace roztoku před kapáním Fáze 4: Kapání PVA gelu s biomasou Fáze 5: Sušení Biokatalyzátoru lentikats Fáze 6: Rebotnání, stabilizace Biokatalyzátoru lentikats Fáze 7: Rekultivace, následné uskladnění biokatalyzátoru/okamžité nasazení biokatalyzátoru ke kultivaci v provozních podmínkách Klíčovým krokem výroby Biokatalyzátorů lentikats s aktivitou nitritačních/deamonifikačních bakterií je (i) příprava čisté kultury k imobilizaci, (ii) rekultivace imobilizovaného materiálu a (iii) následná kultivace v provozních podmínkách. U vyrobeného biokatalyzátoru je nutné zajistit nastartování imobilizovaných bakterií, jejich růst a s tím související dosažení optimální aktivity imobilizátů. Především v případě deamonifikačních bakterií, které jsou označovány za pomalu rostoucí (růstová rychlost je 0,0027 ±0,0005 h -1 a generační doba je 11 dnů), je nutné zajistit nejen optimální růstové podmínky (teplota 30-40 C, hodnota ph 6,7-8,3), ale také sledovat další faktory, které by mohly negativně (až nevratně) ovlivnit růst bakterií (Obr. 1). V případě dodržení těchto předpokladů lze pak zajistit produkci dostatečného množství biomasy (čím je vyšší množství biomasy, tím rychleji dochází k odbourávání dusíku). Dosažitelná rychlost odstraňování dusíku s využitím deamonifikačních bakterií pak může být 5 10krát vyšší, než jaké je možné dosáhnout při klasickém nitrifikačně/denitrifikačním procesu. Tato skutečnost pak vede k 6
menšímu znečištění životního prostředí a k významnému snížení celkových nákladů, především pak v imobilizované formě (Biokatalyzátor lentikats). Obr. 1: Biokatalyzátor lentikats s imobilizovanými deamonifikačními bakteriemi: A, B mikroskopické snímky z FISH analýzy (A po výrobě, B po 5ti měsíční kultivaci; modrá PVA matrice, červená životaschopné buňky); C makroskopický snímek biokatalyzátoru s narostlou biomasou Příklad ekonomického přínosu Při srovnání procesů MBBR (z angl. moving bed bioreactor) nitritace/deamonifikace (N/DA) využívající Biotechnologie lentikats s klasickou nitrifikací/denitrifikací (N/DN) založené na směsných kulturách aktivovaného kalu obecně platí: mnohonásobně vyšší objemové a látkové zatížení N-NH + 4 při procesu MBBR N/DA díky využití pouze vybraných bakteriálních kmenů, kdežto zastoupení nitrifikačních bakterií v aktivovaném kalu je pouze kolem 3 %, provozní úspory v aeraci a snížení energetické náročnosti procesu vzhledem k N/DN až o 75 %, zanedbatelná produkce kalu v systému MBBR N/DA ve srovnání s N/DN a MBBR N/DA je vhodná na koncentrované odpadní vody s koncentrací N-NH + 4 až 1000 mg/l. Porovnáním ekonomiky klasické technologie (nitrifikace/denitrifikace) s Biotechnologií lentikats využívající Biokatalyzátor lentikats s imobilizovanými nitritačními a deamonifikačními bakteriemi lze očekávat přínos v řádu několika desítek až stovek tisíc korun (Tab. 1). 7
Tab. 1: Porovnání klasické technologie s Biotechnologií lentikats Parametr Klasická technologie N/DN + Odstraňování N-NH 4 kg N-NH + 4 /m 3.den 0,24 Spotřeba energie MJ/kg N celk 45 *N/DN nitrifikace/denitrifikace, N/DA nitritace/deamonifikace Biotechnologie lentikats N/DA 2 (cca 8x rychlejší odstraň.) 16 (cca o 2/3 nižší spotřeba) POPIS NOVOSTI FUNKČNÍHO VZORKU Biokatalyzátor lentikats, využívaný v rámci Biotechnologie lentikats, je založen na metodě umožňující velmi efektivně uzavírat (imobilizovat) nativní buňky různých mikroorganismů do PVA matrice. PVA matrice je vhodná pro použití ve většině biochemických procesů. Tato matrice má vynikající fyzikálně-mechanické vlastnosti, které zajišťují její dlouhodobou mechanickou stabilitu. Navíc, jelikož čistý PVA je biologicky obtížně odbouratelný a netoxický, lze ho využít pro velmi účinné biokatalýzy nejen v oblasti čištění odpadních vod. Cílem funkčního vzorku byla optimalizace podmínek kultivace a použití nitritačních a deamonifikačních bakterií ve formě dvou Biokatalyzátorů lentikats (nitritačního a deamonifikačního biokatalyzátoru) pro zajištění komplexní, nové a vysoce efektivní kontejnerové technologie biologického čištění odpadních vod, založené na Biotechnologii lentikats. Kontejnerová technologie je schopna biologického odstraňování amoniakálního znečištění při minimálních investičních i provozních nákladech. 8