POB6.2 Gospodarka wodno-ściekowa oraz biotechnologia środowiskowa
Koordynatorzy
Dr Gabriela Kamińska RIE, Dr Sebastian Żabczyński RIE
Gabriela.Kaminska@polsl.pl
Tel.: +48 32 237 2777
Sebastian.Zabczynski@polsl.pl
Tel.: +48 32 237 2949
Naukowcy PŚ opracowują sposoby uzdatniania wody i ścieków. Woda stanowi jeden z najcenniejszych zasobów, bez którego życie na Ziemi nie mogłoby istnieć. Zachodzące zmiany klimatu i środowiska takie jak susze, powodzie, wylesianie, rozwój gospodarczo-przemysłowy powodują, że zasoby wód na całym świecie drastycznie się zmniejszają. Do tego stały przewidywany wzrost liczby ludności na świecie wskazuje, że w 2050 roku 2/3 populacji na świecie doświadczy niedoboru czystej wody.
Działania podejmowane przez pracowników PŚ w zakresie ochrony wód obejmują identyfikację zanieczyszczeń w wodach i opracowywanie technologii ich usuwania. Dotychczas podejmowane badania pozwoliły określić poziomy stężeń mikrozanieczyszczeń z grupy ksenoestrogenów, WWA, pestycydów, farmaceutyków, barwników i metali ciężkich wodach powierzchniowych, podziemnych, kopalnianych i deszczowych oraz w elementach infrastruktury środowiska takich jak obiekty basenowe, sieci wodociągowe, oczyszczalnie ścieków komunalnych i przemysłowych. Dzięki szeroko zakrojonym badaniom prowadzonym w kilku projektach naukowych dla wszystkich tych zanieczyszczeń opracowano technologie gwarantujące ich efektywne usuwanie uwzględniając źródło ich występowania. Wśród najistotniejszych osiągnięć wymienić można modyfikację odczynnika Fentona do oczyszczania ścieków trudno biodegradowalnych, optymalizację procesów membranowych i zaawansowanych procesów utleniania do usuwania mikrozanieczyszczeń organicznych o charakterze toksycznym, wytwarzanie membran i sorbentów z materiałów odpadowych (osady, odpady styropianowe) i nanostrukturalnych, wytwarzania katalizatorów do reakcji utleniania.
Nowym problemem globalnym jest obecność mikroplastiku w środowisku wodnym. Ta ważna tematyka została podjęta przez pracowników PŚ w badaniach nad efektywnością usuwania mikroplastiku ze ścieków w zależności od zastosowanej technologii oczyszczania ścieków. Efekty badań pokażą kluczowe urządzenia oczyszczalni ścieków, które mogą przyczyniać się do wzrostu ilości drobnych fragmentów cząsteczek tworzyw sztucznych w ściekach oczyszczonych, odprowadzanych do odbiornika. Ponadto istotą tych badań jest wskazanie urządzeń lub procesów pozwalających w maksymalnym stopniu ograniczyć ilość mikroplastiku w ściekach oczyszczonych.
Pracownicy PŚ jako jedni z nielicznych i pierwszych w Polsce podjęli tematykę związaną z identyfikacją i usuwaniem z wody basenowej zanieczyszczeń, które nie są usuwane w klasycznych systemach oczyszczania wody. Wśród proponowanych metod oczyszczania wymieniane są procesy mikrofiltracji, ultrafiltracji nanofiltracji i odwróconej osmozy. Rezultaty projektu są aktualizowane na stronie internetowej projektu https://www.facebook.com/PBU-Micropollutants-in-swimming-pool-water-102916601350352/.
Naukowcy PŚ opracowują nowe materiały wykorzystywane w procesach oczyszczania wód. Ważnym osiągnięciem jest opracowanie półprzewodnika składającego się z ditlenku tytanu i węgla aktywnego wykorzystywanego w procesie fotokatalizy. Pełni on rolę zarówno katalizatora procesu utleniania jak i sorbentu dla nowo powstałych ubocznych produktów utleniania zanieczyszczeń. Naukowcy z Politechniki zaproponowali również wykorzystanie szeregu materiałów odpadowych jako sorbentów zanieczyszczeń występujących w wodach. Przykładem jest zastosowanie osadów ściekowych, popiołów czy też słomy. Rozwiązanie to pozwala wykorzystać trudne do zagospodarowania odpady środowiskowe jako materiały przydatne ochronie środowiska.
Biotechnologia została oficjalnie zdefiniowana przez Organizacja Współpracy Gospodarczej i Rozwoju (ang. Organisation for Economic Co-operation and Development, OECD) jako świadczenie dóbr i usług z wykorzystaniem metod biologicznych. Jednocześnie wprowadzono oznaczenia kolorystyczne dla różnych rodzajów biotechnologii przypisując je do konkretnych dziedzin życia:1.zielona biotechnologia, nazywana też agrobiotechnologią, dotyczy aspektów związanych z rolnictwem, rozwiązaniami stosowanymi w celach spożywczych i niespożywczych;2.biała biotechnologia to biotechnologia zajmująca się wykorzystaniem rozmaitych procesów biologicznych w przemyśle oraz inżynierii i ochronie środowiska;3.czerwona biotechnologia obejmuje obszar ochrony zdrowia, w szczególności w zakresie produkcji nowych biofarmaceutyków, rozwoju diagnostyki genetycznej, a także terapii genowej i ksenotransplantologii;4.niebieska biotechnologia jest związana z ogólną problematyką biotechnologii wód;5.fioletowa biotechnologia dotyczy ustawodawstwa, ochrony własności intelektualnej, jak również zagadnień filozoficznych i etycznych.
W ramach podobszaru POB6.2 obszary zainteresowań naukowców i prowadzone badania oraz projekty będą się skupiały wokół biotechnologii białej i niebieskiej. Przykładem takiego projektu jest projekt SNIT. Celem projektu jest stworzenie innowacyjnej technologii, która pozwoli na osiągnięcie skróconej nitryfikacji/denitryfikacji za pomocą azotynów w głównym ciągu technologicznym oczyszczalni ścieków komunalnych. Osiągnięcie tego celupozwoli na znaczne zmniejszenie zapotrzebowania na tlen i węgiel organiczny w procesie usuwania azotu, poprawę jakości ścieków i zwiększenie produkcji gazu w procesie fermentacji. Technologia ta obejmuje również opracowanie oddzielnego reaktora do dezintegracji osadów za pomocą kwasu azotowego w celu uzyskania łatwo ulegającego biodegradacji węgla organicznego do poprawy procesu denitryfikacji, który jest zwykle ograniczony przez węgiel organiczny dostępny w ściekach surowych.
Innym projektem jest projekt SIREN. Ogólnym celem tego projektu jest integracja innowacyjnych procesów w konwencjonalnych systemach oczyszczania ścieków komunalnych w celu konwersji do systemów służących do odzyskiwania zasobów wodnych. W szczególności opracowane zostaną technologie wzakresie odzyskiwania zasobów naturalnych, tj. energii, składników odżywczych i substancji organicznych (kwasów huminowych), jak również wytwarzania wartościowych produktów (wodór i biopolimery). W rezultacie oczekuje się zwiększenia produkcji biogazu o >10% i odzyskaniu >80% biogenów.
Kolejnym projektem koncentrującym się na gospodarce o obiegu zamkniętym i wyzwaniach związanych z odzyskiwaniem zasobów poprzez wdrożenie zintegrowanych procesów biotechnologicznych jest projekt WasteValue. Projekt skupiasię na odzyskiwaniu frakcji organicznej i składników odżywczych z odpadów komunalnych i odpadów żywnościowych w celu opracowania i produkcji substytutu paliwa lotniczego A-1 i nawozu rolniczego.
Kolejny nurt badań prowadzony przez naukowców w podobszarze6.2 skupia się na temacie wpływu próżni na bakterie. Postuluje się zastosowanie próżni w oczyszczaniu ścieków, procesie fermentacji beztlenowej, oczyszczaniu osadów, rekultywacji gleby i górnictwie. W ramach badań nad wpływem próżni na bakterie w osadzieczynnym, stwierdzono, że próżnia wpływa na rozpad kłaczków osadu czynnego, a także prowadzi do destrukcji słabych (lub martwych) komórek bakteryjnych. Powoduje to zwiększenie ilości aktywnych komórek w osadzie czynnym.
Kolejna grupa badań realizowanych przez naukowców z zakresu biotechnologii dotyczy usuwania barwników syntetycznych, które przedostają się do środowiska w swojej pierwotnej postaci, a następnie ulegają przekształceniom w procesach fizycznych, chemicznych i biologicznych stosowanych przy procesach oczyszczania ścieków. Syntetyczne pochodzenie i złożona struktura barwników sprawiają, że są one trudno biodegradowalne, wykazano jednak, że wiele gatunków mikroorganizmów może skutecznie usuwać te związki. Badania procesów dekoloryzacji wskazują naduży potencjał szczepów bakterii i grzybów w usuwaniu barwników. Zastosowanie specjalnie wyselekcjonowanych szczepów bakterii pozwala na osiągnięcie doskonałych efektów usuwania barwników z różnych grup chemicznych stosowanych jako pojedyncze barwniki i ich mieszaniny. Dobre wyniki uzyskuje się w przypadku stosowania czystych kultur bakterii, ale odpowiedni skład ich mieszanych kultur może przyspieszyć efektywność i szybkość procesu. Stosując immobilizowaną grzybnię w przypadku czystych barwników można osiągnąć 100% odbarwienie w ciągu 96 godzin. Sytuacja jest bardziej skomplikowana w przypadku usuwania mieszanin barwników, jednak prowadzone badania potwierdzają możliwość usunięcia niektórych mieszanin w ponad 90% w reaktorach biologicznych. Można zaobserwować, że usuwanie barwników wiąże się ze zmniejszeniem ekotoksyczności roztworów poprocesowych dla organizmów wodnych.
W badaniach prowadzonych w ramach podobszaru 6.2 wykorzystuje się także możliwości sztucznych sieci neuronowych między innymi do określenia wpływu zniekształceń sygnałów wejściowych na proces treningu sztucznej sieci neuronowej pełniącej rolę wirtualnego czujnika stężenia azotu azotanowego (V) w jednym ze zbiorników reaktora biologicznego oczyszczalni ścieków z osadem czynnym. w reaktorze osadu czynnego.
