Biodegradacja kwasów halogenooctowych w bioreaktorze z poliamidową, enzymatyczną membraną ultrafiltracyjną

Przedstawiono uzyskane wyniki badań nad usuwaniem mieszaniny kwasów halogenooctowych z wody w procesie ultrafiltracyjnej biodegradacji. Proces ultrafiltracyjnej biodegradacji, oparty na membranach z unieruchomionymi białkami aktywnymi, przebiega w temperaturze otoczenia, charakteryzuje się niską energochłonnością i niewielkimi kosztami eksploatacyjnymi. Pozwala na obniżenie stężenia substancji toksycznych w miejscu ich powstawania do wartości dopuszczalnych i umożliwia doczyszczanie uzdatnianej wody w procesie ultrafiltracji. Badania prowadzono w reaktorze z membraną ultrafiltracyjną, na powierzchni której unieruchomiono enzymy rozkładające HAA. Jako nośników do immobilizacji używano poliamidowych membran płaskich, modyfikowanych aldehydem glutarowym w celu otrzymania trwałych, kowalencyjnych wiązań pomiędzy materiałem membrany a enzymem. Nadawę w procesie biodegradacji stanowił wodny roztwór mieszaniny pięciu HAA (MCAA, DCAA, TCAA, MBAA, DBAA) o stężeniu 1 mg/dm3 każdego z nich. Unieruchamiane na powierzchni membran enzymy były izolowane metodą Hagemana ze szczepów bakterii wyodrębnionych z mieszanej populacji osadu czynnego, adaptowanego do rozkładu HAA. Dominującymi w populacji rodzajami bakterii były: Acinetobacter, Arthobacter, Pseudomonas oraz Bacillius. Celem badań było wyznaczenie optymalnych warunków prowadzenia procesu ultrafiltracyjnej biodegradacji kwasów halogenooctowych (ciśnienie transmembranowe, intensywność mieszania, czas prowadzenia procesu) oraz opracowanie metodyki oznaczania stężenia usuwanych ksenobiotyków metodą HPLC z wykorzystaniem ekstrakcji HAA w eterze tert-butyloetylowym. Podczas filtracji roztworu kwasów przez membrany enzymatyczne wyznaczano również zależności objętościowego strumienia permeatu od ciśnienia transmembranowego, a w oparciu o obliczone stężenia ksenobiotyków w poszczególnych strumieniach ultrafiltracyjnych określano stopień biodegradacji HAA. Otrzymane wyniki pozwoliły na wyznaczenie najkorzystniejszych parametrów operacyjnych procesu ultrafiltracyjnej biodegradacji kwasów halogenooctowych. Przy ich zastosowaniu wydajność procesu membranowego i efektywność usuwania HAA były najwyższe. Po 3,5-godzinnym prowadzeniu procesu w takich warunkach z wody modelowej usunięto całkowicie kwas monochlorooctowy i monobromooctowy, a po 5 godzinach pozostałe kwasy. Monitorowano również wydajność procesu objętościowy strumień permeatu nie zmieniał się w czasie.

The results of the study focused on the removal of halogenated acetic acids (HAA) from water by means of the hybrid process ultrafiltration-biodegration are presented in the article. The hybrid system based on membranes with immobilized active enzymes is run at room temperature and characterizes with low energy consumption and exploitation costs. It allows to decrease the concentration of toxic substances in place of their formation as well to polish the treated water via ultrafiltration. The study was carried out in the reactor equipped with the ultrafiltration membrane, on the surface of which enzymes responsible for degradation of HAA were immobilized. Polyamide flat membranes modified with glutaric aldehyde in order to obtain stable, covalent bonds between membrane and enzymes were used as the immobilization support. The feed solution introduced to the process comprised of the mixture of five HAA (MCAA, DCAA, TCAA, MBAA, DBAA) of concentration 1 mg/dm3 each. Halogenated acetic acids are byproduct of water disinfection. They are formed during the reaction of HAA precursors (mainly humic substances) with chlorine and its derivatives. The presence of HAA in drinking water is already proved to be harmful for animals and humans. Some HAA were recognized as carcinogens e.g. dichloroacetic acid and trichloroacetic acid. It was also found that dichloroacetic acid caused neuropathy, liver cancer and weight reduction. According to their toxic properties, the systematic control of HAA concentration in drinking water during the treatment process is performed in many countries. Besides, standards concerning the permissible concentration of HAA in drinking water are developed. Enzymes immobilized on the support were isolated according to Hageman method from bacteria separated from activated sludge adapted for HAA degradation. Acinetobacter, Arthobacter, Pseudomonas and Bacillius were dominant types of microorganisms. The study were carried out in S-76-400 reactor (by Nuclepore) of volume 500 cm3 equipped with magnetic stirrer and the flat membrane of area 38.5 cm2. The aim of the experiment was to determine the optimal conditions for the hybrid process ultrafiltration-biodegradation of HAA (transmembrane pressure, intensity of stirring, length of the process). Additionally, the method of analysis of degraded xenobiotics concentration using HPLC and HAA extraction with ETBE was developed. The dependence of volumetric permeate flux on the transmembrane pressure was determined during the filtration of HAA solution. The degree of biodegradation of xenobiotics was evaluated basing on the concentration of HAA in particular process streams. Obtained results allowed to assign the optimal operating conditions of the hybrid ultrafiltrationbiodegradation system i.e. transmembrane pressure 0.1 MPa and stirring speed 75 rpm. The highest membrane process capacity and HAA removal effectiveness were obtained under those conditions. The total removal of monochloroacetic acid and monobromoacetic acid lasted 3.5 and 5 h for the remaining investigated acids applying optimal operation parameters. The capacity of the process determined by the measurement of volumetric permeate flux did not change in time.