Ocena wody na podstawie fluorescencji
Z uwagi na fakt, że większość związków chemicznych zawartych w wodzie wchodzi w interakcję ze światłem, spektroskopia fluorescencyjna mogłaby szybko i skutecznie dostarczać informacji o jakości próbki oczyszczonych ścieków. Partnerzy projektu FLUORO-BOOST sprawdzają jej potencjał pod względem poprawy efektywności energetycznej oczyszczalni ścieków. Dzięki nakładom inwestycyjnym w wysokości 14,3 mld EUR na przestrzeni lat 2007-2013 i nieustępliwemu występowaniu na drogę sądową, UE odnotowuje znaczącą poprawę w gromadzeniu i oczyszczaniu ścieków. Jednak oczyszczanie większej ilości ścieków i stała poprawa jakości po oczyszczeniu wywiera ogromny nacisk na obecne technologie, doprowadzając do podwyższonego zużycia energii. Samo napowietrzanie opadłego osadu w ramach procesu osadu czynnego pochłania ponad połowę kosztów energii związanych z oczyszczaniem ścieków. Co więcej kontrola jakości nadal ma duże pole do poprawy. Zdaniem dr Elfridy Carstei z Uniwersytetu w Birmingham, która postanowiła rozwiązać obydwa problemy dzięki dofinansowaniu ze środków UE w ramach projektu FLUORO-BOOST (Fluorescence-Based Optimisation Of Sewage Treatment), obecne metody testowania zgodności mają wiele mankamentów. Zamiast uciekać się do rozpowszechnionej techniki monitorowania potencjału usuwania tlenu z wody przez aerobowe bakterie heterotroficzne, dr Carstea sugeruje wykorzystanie najnowszych postępów poczynionych w spektroskopii fluorescencyjnej, aby zoptymalizować wydajność oczyszczania ścieków. W związku z tym, że prace nad projektem zbliżają się ku końcowi, badaczka zgodziła się omówić niektóre ze swoich odkryć. Jakie są pani zdaniem główne mankamenty obecnych metod oczyszczania ścieków? Oczyszczalnie ścieków stanowią ogromne osiągnięcie inżynieryjne, a stosowane techniki są niezwykle wydajne w obniżaniu ładunku organicznego w ściekach. Dzięki nieustającym wysiłkom inżynierów procesy będą doskonalone. Zatem problem nie leży w samym procesie oczyszczania ścieków, a raczej wiąże się z metodami wykorzystywanymi do kontroli jakości. Jako dowód na zgodność z obowiązującym przepisami oczyszczalnie wykorzystują przeważnie pięciodniowy, pośredni test biochemicznego zapotrzebowania na tlen (BZT5). BZT5 definiuje się jako zdolność do usuwania tlenu z wody przez aerobowe bakterie heterotroficzne, których metabolizm i reprodukcja są zależne od materii organicznej. Mimo iż jest to wskazany pomiar w procesach oczyszczania, ma kilka wad, które sprawiają, że ta technika nie nadaje się do bezpośredniego monitorowania i kontroli procesu: wymaga dużo czasu, aby uzyskać informacje; jest pracochłonna; substancje toksyczne oddziałują na bakterie; może nie odzwierciedlać warunków w procesie oczyszczania; jest niewrażliwa i nieprecyzyjna w niskich stężeniach oraz skutkuje niepewnością rzędu 15-20% co do dokładności wyników. Z uwagi na te problemy przedsiębiorstwa muszą często nadmiernie oczyszczać, aby mieć pewność zgodności z obowiązującymi przepisami. Prowadzone przez panią badania opierają się z drugiej strony na najnowszych postępach w spektroskopii fluorescencyjnej. Skąd taki wybór? Moje prace opierają się na wstępnych badaniach nad fluorescencją ścieków w oczyszczalniach, przeprowadzonych pod kierunkiem profesora Johna Bridgmana wraz z zespołem, których wyniki ukazały się w »Environmental Technology«. W ich toku wykazano, że ta technika oferuje znaczące możliwości bezpośredniej charakterystyki i monitoringu. Przed tymi badaniami kilkoro naukowców dowodziło, że technika ta może być odpowiednia, ale niewielu koncentrowało się na monitorowaniu ścieków, a żaden na pomiarach w czasie rzeczywistym. Spektroskopia fluorescencyjna została zasugerowana ze względu na swoje liczne zalety: jest szybka, niedroga, nie są potrzebne odczynniki, wymaga niewielkiego przygotowania próbki, ma wysoką wrażliwość i jest nieinwazyjna. Dlatego też technika ta mogłaby szybko dostarczać informacji zwrotnych, umożliwiając dynamiczne badania w wysokiej rozdzielczości przestrzennej i czasowej. Co więcej nasze badania czerpią z prac naukowych, w ramach których przetestowano przenośność fluorescencji na wody powierzchniowe i wodę pitną, a my poczyniliśmy istotny krok naprzód na drodze do opracowania nowych technologii w celu zastosowania fluorescencji w monitorowaniu jakości ścieków. Jakie były największe trudności, z którymi się zmierzyliście przy stosowaniu tej nowej techniki? Nie nazwałabym ich trudnościami, a raczej wyzwaniami. Ustalenie zależności między danymi z fluorescencji a BZT5 okazało się trudniejsze niż się początkowo spodziewaliśmy. Uzyskaliśmy zaskakujące wyniki, które przyniosły więcej pytań niż odpowiedzi. Jednak to pozwoli nam lepiej poznać potencjał spektroskopii fluorescencyjnej jako zastępnika BZT5 i skutecznego narzędzia kontroli procesu oczyszczania. W jaki sposób wasza technologia przyczynia się do obniżenia zużycia energii przy oczyszczaniu ścieków? Przy oczyszczaniu ścieków większość energii zużywana jest do gwałtownego napowietrzania opadłego osadu w procesie osadu czynnego. Bakterie i mikroorganizmy tworzące osad czynny są dostarczane wraz ze ściekami zawierającymi odpady organiczne. Aby utrzymać aktywność biologiczną w czasie procesu osadu czynnego w celu redukcji BZT5, do zbiorników pompowane jest powietrze, by zapewnić odpowiednią ilość rozpuszczonego tlenu. Napowietrzanie jest jedną z najbardziej energochłonnych operacji oczyszczania ścieków, gdyż niemal 65% energii pochłania proces osadu czynnego. Zużycie energii znacznie wzrosło w ciągu minionych dwóch dekad, a na najbliższe 10-15 lat prognozowany jest dalszy wzrost o kolejne 60%. Odnotowany wzrost jest przede wszystkim następstwem zaostrzonych przepisów i regulacji dotyczących zrzutu ostatecznych ścieków oczyszczonych z oczyszczalni do cieków wodnych. Zastąpienie przestarzałej i niedokładnej metody BZT5 spektroskopią fluorescencyjną wyposaży oczyszczalnię w optymalne narzędzie do sprawowania kontroli w czasie rzeczywistym i podejmowania środków zaradczych w razie spadku wydajności zakładu. Szacuje się, że dzięki monitorowaniu jakości ścieków w oczyszczalniach można by zaoszczędzić 40% aktualnych kosztów energii. W ten sposób fluorescencja może posłużyć do optymalizacji procesu kontroli w oczyszczalni i wyeliminować zbędne koszty powiązane z nadmiernym oczyszczaniem. Czy spektroskopia fluorescencyjna sprawdzi się również w uzdatnianiu wody pitnej? Tak, ta technika nadaje się do monitorowania uzdatniania wody pitnej. Przeprowadzono wiele badań dowodzących jej możliwości. W publikacji profesora Bridgemana wraz zespołem, która ukazała się całkiem niedawno w »Science of the Total Environment«, możemy zapoznać się z opisem nowatorskiego instrumentu na bazie LED, autorstwa Uniwersytetu w Birmingham i Uniwersytetu w Sheffield. Instrument jest w stanie wykrywać in situ fluorescencyjne wartości szczytowe T i C w wodociągach dostarczających wodę pitną. Jak wykazała grupa badawcza te wartości szczytowe są interesujące, gdyż wartość szczytowa C to substytut rozpuszczonego węgla organicznego w wodzie, a wartość szczytowa T wskazuje na rozwój wszelkiego typu mikroorganizmów, który zachodzi w następstwie obecności rozpuszczonego węgla organicznego i niewystarczającego stężenia chloru szczątkowego w wodzie. Prace nad projektem mają się ku końcowi. Jakie są kolejne etapy waszych badań? Starania podejmowane na rzecz wdrożenia spektroskopii fluorescencyjnej w oczyszczalniach do monitoringu w czasie rzeczywistym będą kontynuowane w ramach wspólnych badań i współpracy z czołowymi naukowcami z tej dziedziny. Rozpoczęliśmy też niedawno badania nad losem nanocząstek w oczyszczonych ściekach z wykorzystaniem rozmaitych technik, w tym spektroskopii fluorescencyjnej. Mam nadzieję podążać tą drogą w najbliższej przyszłości. Kiedy spodziewa się pani, że spektroskopia fluorescencyjna przyjmie się w oczyszczalniach? Ta technologia już jest na rynku, novum polega na jej zastosowaniu do pomiarów in situ w czasie rzeczywistym. Mimo iż technologia ta znajduje się nadal w powijakach, jest niezwykle obiecująca w kontekście kontroli procesu i obniżenia zużycia energii w oczyszczalniach. Więcej informacji: FLUORO-BOOST http://cordis.europa.eu/project/rcn/109162_en.html
Kraje
Zjednoczone Królestwo