BIOCAT

Procese microbiologice pentru degradarea poluanților

Epurarea biologica, realizata in cadrul etapei de epurare secundara, este foarte importanta si se bazeaza pe utilizarea microorganismelor, in special pe numeroare tulpini bacteriene, prezente in namolul activ, implicate in procesele de biodegradare a poluantilor.

Un parametru important al epurării apelor uzate este îndepărtarea compușilor de azot prin nitrificare-denitrificare. Nitrificarea este oxidarea biologică a amoniului în nitrat. Două grupuri de organisme contribuie la oxidarea amoniacului în nitriți: bacteriile oxidante de amoniu (AOB) și archaea bacteriile oxidante de amoniac (AOA). Capacitatea de nitrificare a bacteriilor amoniac-oxidative se bazează pe un sistem enzimatic format din monooxigenază de amoniu și hidroxilamin-oxidoreductază. Rolul enzimelor este acela de a cataliza oxidarea amoniului în nitriți prin hidroxilamină ca si compus intermediar. O oxidare suplimentară este catalizată de nitrit oxidoreductază, reprezentând cel mai adecvat marker funcțional specific pentru bacteriile nitrit oxidante.

Denitrificarea este procesul biologic prin care azotul este redus treptat la oxid nitric (NO), oxid de azot și, în cele din urmă, azot gazos utilizând un sistem enzimatic complex codificat de gene specifice (NirK sau NirS, NorB și NosZ). Reducerea nitritului, catalizată de nitrit reductaza (Nir) este pasul cheie în procesul de denitrificare. Două nitrit reductaze diferite din punct de vedere structural, dar funcțional echivalente, care sunt traduse din genele nirS și nirK, sunt considerate a fi enzimele predominante pentru catalizarea reducerii nitriților. În general, rezultatele nu au arătat nicio diferență majoră între microorganismele nitrificante NH4 + -NO2-, un anumit echilibru între specii / gene fiind observat pentru toate probele. În granule, printre microorganismele nitrificante NO2 – NO3- Nitrobacter sp. s-au întâlnit condiții favorabile dezvoltării și îmbogățirii în probele biologice colectate după o perioadă mai lungă de maturare. Abundența numărului de copii ale genei N2O și nitrit reductază a arătat variații reduse în timp și se corelează cu bacteriile universale, arătând că o mare parte a bacteriilor din granule sunt denitrifiatori heterotrofi.
In general, rezultatele au arătat o pondere importantă a microorganismelor de acumulare a fosforului (PAO) reprezentând aproximativ 25% din totalul microorganismelor (Bumbac C. et al, 2019). De asemenea, diversitatea și dinamica microorganismelor fotosintetice din microorganismele totale au arătat că microorganismele cu clorofilă au cea mai mică pondere în granulele de alge activate, urmată de fotosinteză (rbcl) comparativ cu cya totală prezentă în microalge-bacterii granule.

Testarea modelului experimental s-a realizat în cadrul laboratoarelor UPB, unde a fost montată instalația.

Rezultatele obţinute pe instalația de mai sus sunt următoarele. Au fost realizate două experimente.

Experiment 1:

Două probe de apă uzată au fost testate în absența catalizatorului (notată cu 1) şi în prezenta catalizatorului (notată cu 2). Aceste două probe de apă uzată au fost supuse radiaţiilor UV timp de 6 ore, după care au fost împărţite fiecare în câte două părți astfel:

1. Apă uzată fără catalizator
2. Apă uzată fără catalizator la care s-au adăugat 20 mL mediu de cultură cu bacterii E. coli

2.1. Apa uzată cu catalizator TiO₂
2.2. Apa uzată cu catalizator TiO2 la care s-au adăugat 20 mL mediu de cultură cu bacterii E. Coli.

Cele patru soluții au fost puse sub agitare la 100 rpm peste noapte.

Experiment 2:

1000 mL de soluție de testare a fost împărțită în câte 250 mL

3. 250 mL soluţie fără catalizator
4. 250 mL soluţie fără catalizator la care s-au adăugat cate 20 mL mediu de cultură cu bacterii E. coli

2.3. 250 mL soluţie cu placuţă depusă cu TiO2
2.4. 250 mL soluţie cu placuţă depusă cu TiO2 la care s-au adăugat cate 20 mL mediu de cultură cu bacterii E. coli

Instalația pilot, realizată din 2 bazine principale, unul destinat treptei de epurare biologică cu SAM și un bazin destinat fotocatalizei au fost realizată în colaborare între parteneri. S-au efectuat şi probele de etanșeitate.

În cadrul Etapei 3 instalația va fi testată în colaborare efectivă de către cei 3 parteneri din cadrul consorțiului.

În ultimii ani, tehnologii de tratare biologică și fizico-chimică au fost investigate pentru îndepărtarea clorurilor de benzalconiu din matricea apelor uzate. Cu toate acestea, din cauza deficienței acestor tratamente de a degrada complet surfactanții cationici în apele uzate, sistemele hibride au fost utilizate pentru potențialul de îndepărtare distinctiv al diferitelor procese de tratare. Sistemele hibride combină mai multe tratamente fizice, chimice și biologice pentru îndepărtarea rapidă și eco-eficientă a surfactanților cationici din apele uzate. În majoritatea sistemelor hibride se aplică mai întâi tratamente biologice și apoi tratamente fizice sau chimice. Sistemele hibride care combină procesele cu nămol activat și procesele fizice, cum ar fi ultrafiltrarea, osmoza inversă și radiațiile gamma sunt considerate tehnologii eficiente din punct de vedere al costurilor și au o îndepărtare mai bună a urmelor de poluanți organici. Dacă pe lângă procesele biologice și fizice se aplică și un procedeu de degradare fotocatalitică eficiența îndepărtării acestor compuși creste foarte mult. Unul dintre fotocatalizatorii cel mai utilizat pentru a accelera procesul de degradare este TiO₂. Se utilizează fotocataliza cu TiO₂ ca pretratare pentru a îmbunătății biodegradabilitatea apelor uzate, sau ca o etapă următoare biodegradării, de decontaminare pentru a îmbunătăți biodegradarea. Biodegradarea ca primă etapă de îndepărtare a clorurilor de benzalkoniu din apele uzate se utilizează atunci când apa uzată conține o concentrație mică în acestea și suficienți nutrienți și carbon pentru a susține durata de viață a microorganismelor. Când nivelul de carbon este redus fotocataliza poate fi utilizată pentru îndepărtarea totală a clorurilor de benzalkoniu sau a produșilor de degradare din apa uzata epurată biologic. Atunci când concentrația de cloruri de benzalkoniu este mare și toxică pentru microorganismele din nămolul activ al stației de epurare se utilizează fotodegradarea pentru a reduce concentrația acestora până unde devine inofensivă pentru microorganisme.

Grupul de microorganisme capabile de degradarea clorurilor de benzalkoniu include bacteriile Gram-negative Pseudomonas spp., Xanthomonas sp., Aeromonas hydrophila sp., Thalassospira sp. și bacteriile Gram-pozitive Bacillus niabensis.

Clorurile de benzalkoniu, cunoscute și sub denumirea de cloruri de amoniu alchil dimetil benzil, sunt de obicei comercializate ca un amestec de compuși cu lungimi diferite pentru lanțul alchil, variind de la C8 la C18, cu activitate biocidă mai mare pentru derivații C12 și C14.

Experimentele preliminare pentru degradarea unui surfactant cationic (clorura de dodecilbenzildimetil amoniu –C12-BAC) au fost realizate utilizând nămol activ de stație de epurare.

După 12 ore de biodegradare în prezenta bacteriilor E.coli pentru cei trei surfactanți cationici analizați, randamentele de îndepărtare cresc considerabil ajungând la 98,1% pentru C12-BAC, 97,9% pentru C14-BAC și 97,3% pentru C16-BAC.

I. Participare la saloanele de inventică

II. Articole publicate/acceptate spre publicare în reviste ISI

III. Articole publicate/acceptate spre publicare în reviste BDI/Indexate în Baze de Date

IV. Participări la conferințe/simpozioane naționale/internaționale

V. Cereri de brevet de invenție

Impactul implementării proiectului BIOCAT, momentan se rezumă la:

Cererile de brevet de invenție depuse la OSIM sunt:
– CBI A/00248/10.05.2022 – Instalatie pentru epurarea apelor uzate prin procedee hibride de epurare biologica si fotocataliza, Autori: IC Moga, IC Covaliu-Mierla, G Petrescu. M Nita Lazar
– CBI A/00319/10.06.2022 – Procedeu pentru epurarea apelor uzate prin procedee hibride de epurare biologica si fotocataliza, Autori: IC Covaliu-Mierla, IC Moga, G Petrescu, M Nita Lazar

Pentru a facilita comercializarea treptei de epurare, membrii echipei de implementare au acordat o atenție deosebita activității de diseminare. Cei trei parteneri au dorit să facă cât mai cunoscute realizările proiectului, atât pentru o cât mai bună cunoaștere de noi tehnologii de epurare cît și pentru putea iniția cât mai multe partneriate în cercetare în viitor în domeniul temei, în vederea îmbunătățirii continua a tehnologiilor de epurare.

În tabelul următor se prezintă indicatorii de diseminare asumați în cererea de finanțare, precum și indicatorii realizați, atinși la finalul proiectului.

Prin proiectul BIOCAT s-a realizat dezvoltarea unei tehnologii de epurare avansată, ce combină 2 procedee de epurare eficiente, astfel: