Wielokierunkowe badania nad nową grupą membran jako komponentów bioreaktorów z przeznaczeniem do oczyszczania systemów wodnych z zanieczyszczeń organicznych
Multidirectional research on a new group of membranes as components of bioreactors intended for the purification of water systems from organic contamination
Typ projektu: naukowo-badawczy
Słowa kluczowe: membrany nanokompozyty polimery włókna biopolimerowe elektroprzędzenie zaniczyszczenia środowiskowe biokonwersja biroeaktory z osadem czynnym enzymatyczne biorekatory membranowe biofouling
Słowa kluczowe (angielski): membranes naocomposites polymers biopolymer fibers electrospinning environmental pollutants bioconversion bioreactors with activated sludge enzymatic membrane bioreactors biofouling
Członkowie konsorcjum: Politechnika Poznańska Politechnika Łódzka (Lodz University of Technology) Łukasiewicz - Łódzki Instytut Technologiczny
Okres realizacji projektu: 1.09.2022 - 31.08.2025
Instytucja finansująca: Narodowe Centrum Nauki
Nazwa programu: Opus
Kierownik projektu: Katarzyna Paździor
Wartość dofinansowania: 1 828 292,00 PLN
Wartość projektu: 1 828 292,00 PLN
Rozwój przemysłu i nadmierna konsumpcja współczesnej populacji spowodowały w ostatnich latach znaczny wzrost emisji niebezpiecznych substancji organicznych, głównie pochodzenia antropogenicznego, do środowiska. Najwyższe ich stężenie obserwuje się m.in. w systemach wodnych. Dlatego badania nad efektywnymi technologiami uzdatniania wody mają kluczowe znaczenie w wielu ośrodkach naukowych na całym świecie. Wśród różnych technik stosowanych do oczyszczania ścieków można rozważyć adsorpcję, separację membranową, zaawansowane utlenianie czy nowoczesne procesy biologiczne. W celu skutecznego usuwania zanieczyszczeń ze ścieków, coraz większym zainteresowaniem cieszy się połączenie wymienionych metod w jeden kompleksowy proces. Taka sytuacja ma miejsce w przypadku typowego oczyszczania biologicznego połączonego z technologią membranową, co można zrealizować poprzez zaprojektowanie odpowiedniego membranowego reaktora biologicznego (MBR). Rozwiązania dotyczące doboru i budowy bioreaktora, uwzględniające w szczególności typ membrany i materiał, z którego jest ona zbudowana, wydają się kluczowe z punktu widzenia wysokiej skuteczności oczyszczania ścieków. Niemniej jednak poważnym ograniczeniem powszechnego stosowania MBR jest zjawisko zanieczyszczenia membran podczas filtracji ścieków z zawiesiną osadu czynnego, co przyczynia się do znacznego obniżenia wydajności procesu. Dlatego prace nad polepszeniem właściwości użytkowych membran poprzez ich modyfikację strukturalną i/lub powierzchniową są przedmiotem badań wielu renomowanych ośrodków naukowych na całym świecie. Stąd główny cel projektu skoncentrowany będzie na badaniach nad nową grupą membran jako komponentów bioreaktorów przeznaczonych do oczyszczania systemów wodnych z zanieczyszczeń organicznych. Badania obejmą dobór i przygotowanie nowej grupy komponentów do produkcji i modyfikacji membran, w tym hybrydowych/kompozytowych materiałów tlenkowych oraz ich połączeń z układami polimerowymi (w tym biopolimerami). Dodatkowym aspektem będzie bezpośrednia modyfikacja membran poprzez funkcjonalizację powierzchniową. Ważnym etapem prac będzie efektywne wbudowanie wymienionych dodatków podczas przygotowania membrany, co powinno skutkować zwiększeniem stabilności membrany, polepszeniem parametrów pracy, a także mechanizmu jej działania w systemie MBR. Istotną częścią badań będzie zdefiniowanie mechanizmu oddziaływań pomiędzy poszczególnymi składnikami membrany, które umożliwi wybór najlepszego dodatku oraz typu membrany do badań weryfikacyjnych na modelowych i rzeczywistych ściekach z wykorzystaniem MBR. Zakłada się wykorzystanie do tego celu dwóch typów bioreaktorów: bioreaktora z osadem czynnym oraz bioreaktora enzymatycznego. Kompleksowa analiza mieszanin reakcyjnych przed i po procesie konwersji pozwoli na ocenę efektywności bioreaktorów i modułu membranowego w konwersji wybranych zanieczyszczeń organicznych. Zaproponowanie mechanizmu i dróg przemian szkodliwych substancji podczas ich mikrobiologicznej i enzymatycznej konwersji będzie dodatkowym i istotnym elementem planowanych badań. Na podstawie kompleksowych prac zrealizowanych w ramach projektu określony zostanie związek między biologicznym usuwaniem niebezpiecznych zanieczyszczeń a mechanizmem ich separacji na membranach polimerowych z dodatkiem zsyntezowanym materiałów, z uwzględnieniem zjawisk fizykochemicznych zachodzących na powierzchni membrany. Bazując na uzyskanych nowatorskich rozwiązaniach zaproponowana zostanie oryginalna poznawcza koncepcja oczyszczania ścieków, która przełoży się na zmniejszenie ilości zanieczyszczeń organicznych w ściekach. Projekt doskonale wpisuje się w zasady zrównoważonego rozwoju i technologii przyjaznych środowisku. Współpraca podjęta pomiędzy Wydziałem Technologii Chemicznej (Politechnika Poznańska) – liderem projektu, Siecią Badawczą Łukasiewicz – Instytutem Włókiennictwa oraz Wydziałem Inżynierii Procesowej i Środowiska (Politechnika Łódzka) – partnerami projektu, komplementarność tych instytucji oraz zasoby infrastrukturalne dają gwarancję, że cele badawcze projektu zostaną zrealizowane zgodnie z wysokimi standardami. Wymiernym efektem projektu będą interdyscyplinarne badania prowadzące do znacznego poszerzenia wiedzy i rozwoju dziedziny naukowej oraz wysoko notowane publikacje naukowe indeksowane przez Thomson Reuters JCR.
In recent years, the development of industry and excessive consumption of the modern population resulted in a significant increase in the emission of hazardous organic substances to the environment. That is why, research on effective water treatment technologies are of key importance in many scientific centres worldwide. Such a situation is observed in case of typical biological treatment combined with membrane technology, which can be implemented by designing of a proper membrane biological reactor (MBR). Solutions concerning bioreactor selection and construction, having regard in particular membrane type and its building material seem to be crucial ones when considering high efficiency of wastewaters purification. Hence the main goal of the project will focus on research on a new group of membranes as components of bioreactors intended for the purification of water systems from organic pollutants. The key aspect will be related to membrane preparation using different inorganic components as well as natural biopolymer fibers, which are expected to affect the structure and surface nature of membrane in order to avoid any technological problems e.g. biofouling. It is assumed that the design of a new group of membranes and their structural-surface modification will contribute to changing their properties, which will directly translate into the mechanism of their operation in the membrane bioreactor systems used for purification of water systems from selected organic pollutants. So, the first stage of the work will contribute to the selection and preparation of a new group of components for modification of membranes, including polymers, synthesized oxide materials and natural biopolymer fibres. Additional aspect will concern direct modification of membranes by surface grafting using e.g. polyelectrolytes. An important novel stage will include effective incorporation of mentioned additives during membrane preparation which should result in enhanced membrane stability and operational parameters. Estimation of the mechanism of interactions between individual components of the membrane as well as thorough membrane characterization will be crucial part of the research which will enable selection of the best additive and membrane type for verification tests in model and real wastewater treatment using MBR. This aspect of the project can be considered entirely innovative. Comprehensive analysis of reaction mixtures before and after the conversion process will enable to evaluate the effectiveness of bioreactors and membrane module in the conversion of selected organic pollutants. What is more, proposing the mechanism and pathways of the transformation of harmful substances during their microbiological and enzymatic conversion will be additional and significant part of planned research. Collected experimental data will allow for assessment of membrane stability after conversion of environmental pollution, in particular its structural and morphological changes as well analysis of scale of the biofouling phenomenon. Finding correlation between the type of bioreactor, structure of the membrane and the type of pollution subjected to bioremediation under specific process conditions is an ambitious and innovative approach to water treatment technology. To best of our knowledge, there are currently no studies devoted to this type of research – this fact additionally justifies relevance of the subject matter undertaken. Therefore, implementation of the project will deeply contribute to the development of science by expanding the knowledge in the mentioned fields. Achieving the project objectives requires an interdisciplinary approach that link to three scientific disciplines – materials science, chemical technology and environmental protection – as well as to aspects relating to surface chemistry.Authors expect that based on the comprehensive research realized within the project, the relationship between the biological treatment of hazardous pollutants and the mechanism of their separation by modified polymer-based membranes, considering the physicochemical phenomena occurring at the membrane surface, will be solved. This is also an important theoretical problem, which points to the comprehensive nature of the research planned under the project. In case of positive results novel solutions for wastewater treatment will be proposed, which will translate into reducing the amount of organic pollutants in wastewaters.
Powrót