Tato dizertační práce se experimentálně zabývá testováním snadné a potencionální biologické rozložitelnosti kationtových tenzidů, konkrétně vybraných kvartérních amoniových solí jako nejvýznamnější strukturní skupiny kationových tenzidů. Vybrány byly kvartérní amoniové soli s alifatickými alkylovými řetězci o různé délce a byly rozděleny podle počtu těchto řetězců v molekule. Některé z těchto látek nelze považovat za kationové tenzidy, přesto byly do testů zahrnuty, aby okruh vybraných kvartérních amoniových solí umožnil sledovat vliv délky a počtu alkylových řetězců na biologickou rozložitelnost.
V teoretické části se práce zabývá literární rešerší, která se týká hlavně biodegradability kationových tenzidů a kvartérních amoniových solí. Pozornost je rovněž zaměřena na mechanismus biodegradace. Vedle b…iologické rozložitelnosti kationových tenzidů se práce zabývá jejich vlastnostmi, využitím a výskytem kationtových tenzidů či kvartérních amoniových solí v životním prostředí. V neposlední řadě se tato práce věnuje analytickému stanovení kationtových tenzidů.
V experimentální části práce jsou uvedeny metody stanovení a experimentů použitých při vypracování práce. Zkoušené látky jsou rozděleny do čtyř skupin podle počtu dlouhých alifatických řetězců v molekule. Jejich biodegradabilita je hodnocena testy biologické rozložitelnosti, které jsou inokulovány směsnou kulturou mikroorganismů. Jako hlavní zkušební test je používán test CO2 headspace, který byl pro hodnocení biodegradability tenzidů zvolen jako referenční. Vedle CO2 headspace testu byl používán respirometrický test založený na biochemické spotřebě kyslíku a testy na principu měření odstraněného organického uhlíku. Z důvodů silné adsorpce kvartérních amoniových solí na aktivovaný kal a laboratorní sklo byly testy založené na měření úbytku organického uhlíku používány pouze jako doplňující.
Jako inokulum byl používán aktivovaný kal a odtok z dosazovacích nádrží ÚČOV Praha. Pro zvýšení stupně rozkladu bylo inokulum adaptováno na jednotlivé testované látky v laboratorních semikontinuálních modelech. Adaptace probíhala postupným zvyšováním koncentrace zkoušené látky v simulovaném přítoku odpadní vody do laboratorních semikontinuálních modelů. Stáří kalu v první sérií modelů bylo udržováno na pěti dnech, druhá série modelu pracovala při tzv. neustále neustáleném stavu (kvůli docílení nejvyššího možného stáří kalu nebyl z modelu během adaptace odtahován žádný přebytečný kal).
Některé kvartérní amoniové soli lze klasifikovat jako potencionálně biologicky rozložitelné, jiné naopak nebyly degradovány ani po adaptaci inokula. Za příčinu jejich značné odolnosti proti biologickému rozkladu lze považovat polysubstituovaný dusík v molekule. S rostoucím počtem alkylových řetězců v jejich molekule klesá tendence k biodegradaci těchto látek. Vedle rostoucího počtu alkylových řetězců i jejich rostoucí délka má negativní vliv na biologickou rozložitelnost kvartérních amoniových solí. Vliv aniontu na biodegradabilitu se nepotvrdil.
Klíčová slova
Kationtové tenzidy, aerobní biodegradace, kvartérní amoniové soli, headspace test
ANNOTATION
This thesis focuses on the experimental testing of the ready and potential biodegradability of cationic surfactants, specifically selected quaternary ammonium salts as the main structural groups of cationic surfactants. Quaternary ammonium salts of aliphatic alkyl chains of different lengths were selected and divided according to the number of chains in the molecule. Some of these compounds which cannot be classified as cationic surfactants nevertheless were included in the testing of biodegradability cationic surfactants because the relationship between biodegradability and the length and number of alkyl chains was studied. This work aimed to find the relation between the chemical structure of the substances and their biodegradability.
Based on literary research, the theoretical part of this dissertat…ion documents the major findings concerning the biodegradability of cationic surfactants and quaternary ammonium salts. The focus is also on their properties, use and the occurrence of cationic surfactants and quaternary alkyl ammonium salts in the environment. In addition to the biodegradability of cationic surfactants, attention is given to the analytical determination of cationic surfactants.
The experimental part describes the methods of testing and determinations used in the thesis. In the experimental part, test substances were divided into four groups according to the number of long aliphatic chains in the molecule. The biodegradability of selected quaternary alkyl ammonium salts was determined through standard batch biodegradability tests using a mixed microbial culture, especially the CO2 headspace test and respirometry test based on the biochemical oxygen demand. The CO2 headspace test was chosen as the default for evaluating surfactant biodegradability. Due to the strong adsorption of quaternary ammonium salts in activated sludge and glassware, the tests, which are based on monitoring the loss of organic carbon, were only supplementary.
The inoculum (activated sludge and WWTP effluent) was taken from CWWTP Prague. To increase the degree of biodegradability, the inoculum was adapted to the test substances in laboratory semi-continuous models. Adaptation was performed by gradually increasing the concentration of the test substance in the simulated waste water influent to the laboratory semi continuous models. The age of the sludge in the first series of models was maintained at five days, the second series model worked continuously in an unsteady state (i.e. the model not due to achieve the highest possible sludge age during adaptation towed away any excess sludge).
Some quaternary ammonium salts are classified substances that are inherently biodegradable. Some substances were classified as not biodegradable under the conditions of preformed inherent biodegradability tests. The tendency to biodegradation of tested substances decreases with the increasing number of alkyl chains in their molecule. Similarly, the increased length of the alkyl chain has a negative influence on the biodegradability of quaternary ammonium salts. The effect of anion on biodegradability has not been confirmed.
Keywords
Cationics surfactants, aerobic biodegradation, quaternary ammonium salts, headspace test
