СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ
METHOD OF BIOLOGICAL PURIFICATION

Настоящее изобретение относится к способу биологической очистки, и более конкретно к способу биологической очистки для биологической очистки воды, содержащей компоненты с химической потребностью в кислороде (ХПК), с применением бактерий.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Традиционно, газ, выделяющийся из угля при получении кокса сухой перегонкой, содержит большое количество аммонийных компонентов. Водный конденсат, образующийся при охлаждении отработанного газа, который выделяется из оборудования для такого получения кокса, или отработанная вода, поступающая из газоочистителя после очистки описанного выше отработанного газа в газоочистителе или т.п., содержат большое количество аммонийных компонентов.
Как правило, такая отработанная вода в дополнение к указанным аммонийным компонентам содержит различные типы компонентов ХПК, такие как фенол и тиоцианат, которые содержатся в описанном выше отработанном газе.
Таким образом, в качестве способа очистки описанной выше отработанной воды обычно применяют способ биологической очистки с использованием ила, содержащего нитрифицирующие бактерии и т.п. (см. приведенный ниже Патентный документ 1).
При этом согласно традиционному способу биологической очистки широко применяемые стадии включают: например, поступление подлежащей очистке воды (рассматриваемая вода), содержащей подлежащие очистке вещества, в резервуар для биологической очистки, содержащий ил в форме суспендированного ила; и выдерживание воды в резервуаре, где происходит снижение концентрации подлежащих очистке веществ посредством биологической очистки до вытеснения воды из резервуара для биологической очистки посредством притока рассматриваемой воды и вытеснения из него очищенной воды.
По такому традиционному способу биологической очистки измеряют концентрацию взвешенных веществ в воде, содержащейся в резервуаре (взвешенные вещества в смеси с илом: MLSS), и количество подлежащих очистке веществ, поступающих в резервуар для биологической очистки, регулируют относительно концентрации взвешенных веществ, что позволяет поддерживать качество очищаемой воды на определенном или более высоком уровне.
Более конкретно, приток рассматриваемой воды регулируют таким образом, чтобы подлежащие очистке вещества, поступающие в резервуар для биологической очистки за единицу времени, можно было поддерживать на постоянном уровне на единицу взвешенных веществ.
Однако в том случае, когда рассматриваемая вода содержит фенол или тиоцианат, даже при осуществлении вышеописанной регуляции сложно стабилизировать качество очищаемой воды, и появляется опасность того, что большое количество компонентов ХПК непредвиденно остается в очищаемой воде.
Для решения этой проблемы сделана попытка ограничить количество поступающих в реактор для биологической очистки компонентов ХПК так, чтобы можно было получать очищенную воду желаемого качества даже в том случае, когда скорость удаления компонентов ХПК становится ниже.
Однако в таком случае количество поступающих компонентов ХПК ограничено сильнее необходимого. С точки зрения эффективности очистки это не является предпочтительным.
Таким образом, проблема способа биологической очистки для биологической очистки рассматриваемой воды, содержащей, по меньшей мере, один из таких компонентов, как фенол или тиоцианат, заключается в необходимости повышать качество очищаемой воды и одновременного избегать снижения эффективности очистки.
Патентный документ 1: Японская выложенная патентная заявка № 2009-142787
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ЗАДАЧИ, ПОДЛЕЖАЩИЕ РЕШЕНИЮ ПОСРЕДСТВОМ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является предоставление способа биологической очистки рассматриваемой воды, содержащей фенол, тиоцианат и т.п., который повысит качество очищенной воды и одновременно позволит избежать снижения эффективности очистки.
СПОСОБЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
В результате интенсивных исследований, направленных на достижение приведенной выше цели, авторы настоящего изобретения обнаружили, что, поскольку фенол или тиоцианат легко снижают активность бактерий, при биологической очистке рассматриваемой воды, содержащей любое из этих веществ, сложно оценить эффективность очистки резервуара для биологической очистки на основе только концентрации взвешенных веществ.
Кроме того, в результате исследований, направленных на обнаружение нового индикатора для оценки эффективности очистки резервуара для биологической очистки, авторы изобретения обнаружили, что количество компонентов ХПК, разлагаемых (окисляемых) в реакторе для биологической очистки за единицу времени, коррелирует с суммарным количеством содержащихся в иле бактерий.
Более того, авторы изобретения обнаружили, что степень удаления (разложения) компонентов ХПК можно поддерживать на высоком уровне посредством применения описанного выше суммарного количества бактерий в качестве индикатора и поддержания на заданном уровне количества вводимых компонентов ХПК на одну бактерию в единицу времени, тем самым завершая настоящее изобретение.
Более конкретно, способ биологической очистки согласно настоящему изобретению, направленному на достижение приведенной выше цели, представляет собой способ биологической очистки, включающий введение рассматриваемой воды, содержащей компоненты ХПК, где компоненты ХПК представляют собой, по меньшей мере, одно из таких веществ, как фенол и тиоцианат, в резервуар для биологической очистки, содержащий ил с бактериями, способными разлагать компоненты ХПК для биологической очистки компонентов ХПК посредством бактерий, где при этом перед введением рассматриваемой воды в резервуар для биологической очистки проводят стадию подсчета суммарного количества содержащихся в иле бактерий для регуляции в заданном диапазоне количества поступающих компонентов ХПК на одну бактерию за единицу времени.
Следует отметить, что термин "суммарное количество бактерий", применяемый в настоящем документе, означает не суммарное число бактерий, включая те, которые по существу не участвуют в биологической очистке, а означает "суммарное количество бактерий, участвующих в биологической очистке".
Также следует отметить, что "суммарное количество бактерий, участвующих в биологической очистке", можно определять посредством способа, приведенного в примерах в настоящем подробном описании изобретения.
ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении реализован способ биологической очистки, в котором ил, содержащий бактерии, способные разлагать компоненты ХПК, помещают в резервуар для биологической очистки, затем в резервуар для биологической очистки поступает рассматриваемая вода, содержащая компоненты ХПК, и затем рассматриваемую воду подвергают биологической очистке с применением описанных выше бактерий.
Кроме того, перед введением рассматриваемой воды проводят стадию подсчета суммарного числа бактерий, содержащихся в иле в резервуаре для биологической очистки.
Таким образом, количество компонентов ХПК, поступающих в резервуар для биологической очистки, можно регулировать на основе количества бактерий, полученного посредством описанного выше подсчета, и, кроме того, можно регулировать количество поступающих компонентов ХПК на одну бактерию за единицу времени.
То есть, регулируя количество поступающих компонентов ХПК на одну бактерию за единицу времени в заданном диапазоне, можно проводить биологическую очистку, поддерживая эффективность удаления компонентов ХПК на высоком уровне и повышать качество очищаемой воды, одновременно избегая снижения эффективности очистки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлена принципиальная схема конструкции, иллюстрирующая конфигурацию аппарата, применяемого в способе биологической очистки по настоящему варианту осуществления.
На фиг. 2 представлен график, иллюстрирующий изменение количества компонентов ХПК, поступающих в каждый из резервуаров для аэрации, за 1 сутки из примеров.
На фиг. 3 представлен график, иллюстрирующий изменение количества аммонийного азота, поступающего в каждый из резервуаров для аэрации, за 1 сутки.
На фиг. 4 представлен график, иллюстрирующий изменение количества фенола, поступающего в каждый из резервуаров для аэрации, за 1 сутки.
На фиг. 5 представлен график, иллюстрирующий изменение количества тиоцианата, поступающего в каждый из резервуаров для аэрации, за 1 сутки.
На фиг. 6 представлен график, иллюстрирующий изменение суммарного числа бактерий в каждом из резервуаров для аэрации.
На фиг. 7 представлен график, иллюстрирующий изменение количества аммиак-окисляющих бактерий (AOB) в каждом из резервуаров для аэрации.
На фиг. 8 представлен график, иллюстрирующий изменение количества нитрит-окисляющих бактерий (NOB) в каждом из резервуаров для аэрации.
На фиг. 9 представлен график, иллюстрирующий изменение количества бактерий, осуществляющих разложение фенола, в каждом из резервуаров для аэрации.
На фиг. 10 представлен график, иллюстрирующий изменение количества бактерий, осуществляющих разложение тиоцианата, в каждом из резервуаров для аэрации.
На фиг. 11 представлены график, иллюстрирующий связь между количеством компонентов ХПК, очищаемых одной бактерией за сутки, и качеством очищенной воды (левая фигура), и график, иллюстрирующий связь между количеством очищаемых ХПК на MLSS и качеством очищенной воды (правая фигура).
На фиг. 12 представлен график, иллюстрирующий связь между количеством нитрит-окисляющих бактерий (NOB) в каждом резервуаре для аэрации и концентрацией веществ ХПК в очищенной воде.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Далее в настоящем документе описан первый вариант осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежы.
На фиг. 1 показана конфигурация аппарата, применяемого в связи со способом биологической очистки по настоящему варианту осуществления. Числа 10 и 20 обозначают, соответственно, обратный холодильник и прямой холодильник для охлаждения газа, образующегося в результате сухой перегонки угля. Число 30 обозначает мехосветлитель.
В связи со способом биологической очистки по настоящему варианту осуществления в качестве примера описан случай, при котором отработанную воду отводят из этого мехосветлителя 30 и подвергают биологической очистке в резервуаре для биологической очистки 40 (далее в настоящем документе также называемом "резервуар для аэрации 40") в аэробных условиях.
Сначала опишем рассматриваемую воду, которую подвергали биологической очистке.
Газ сухой перегонки, образующийся в результате сухой перегонки угля, подвергают теплообмену внутри трубки охлаждения 11, расположенной в обратном холодильнике 10, с охлаждением газа.
На данной стадии, поскольку морскую воду или т.п. подают в трубку охлаждения 11, температура газа сухой перегонки значительно снижается и в результате образуется конденсированная вода.
Эта конденсированная вода содержит фенол, тиоцианат и т.п., а также такие компоненты, как смола или аммиак.
Органические компоненты и т.п., содержащиеся в газе сухой перегонки, удаляют посредством абсорбции конденсированной водой, образующейся в процессе охлаждения в обратном холодильнике 10.
В прямом холодильнике 20 осуществляют распыление, и конденсированную воду, образующуюся посредством распыления, а также конденсированную воду, образующуюся в обратном холодильнике 10, переносят в мехосветлитель 30. В мехосветлителе смола отделяется от отработанной воды, и отработанную воду далее подвергают очистке способом биологической очистки по настоящему варианту осуществления.
В способе биологической очистки по настоящему варианту осуществления вышеописанную отработанную воду по мере необходимости разбавляют технической водой или т.п. с тем, чтобы концентрация компонентов ХПК или т.п. стала подходящей для биологической очистки, тем самым подготавливая рассматриваемую воду.
Таким образом, в настоящем варианте осуществления рассматриваемую воду обрабатывают с тем, чтобы количество фенола, тиоцианата, аммонийного азота или т.п., содержащихся в ней до или после разбавления, стало подходящим для биологической очистки, и затем проводят биологическую очистку.
В способе биологической очистки по настоящему варианту осуществления рассматриваемую воду помещают в описанный выше резервуар для аэрации 40 и затем в нем осуществляют нитрификационную очистку. В это же время разлагаются (окисляются) компоненты ХПК, такие как описанный выше фенол или описанный выше тиоцианат.
Таким образом, резервуар для аэрации 40 содержит ил, содержащий аммиак-окисляющие бактерии, нитрит-окисляющие бактерии, фенол-разлагающие бактерии, тиоцианат-разлагающие бактерии и т.п., и в настоящем варианте осуществления проводят биологическую очистку, такую как нитрификация аммонийных компонент или разложение фенола или тиоцианата, с применением этих бактерий.
На данной стадии приток рассматриваемой воды, поступающей в резервуар для аэрации 40, регулируют регулировочным клапаном 51, действующим совместно с аппаратом управления скоростью потока 50, с регуляцией количества компонентов ХПК, поступающих в резервуар для аэрации 40.
Важно, что регуляцию посредством этого аппарата контроля скорости потока 50 осуществляют с применением созданной программы, основанной на заранее проведенном подсчете общего количества бактерий в резервуаре для аэрации 40.
Более конкретно, важно, что когда общее количество бактерий в иле, содержащемся в резервуаре для аэрации 40, устанавливают на n (копий), а концентрацию компонентов ХПК в рассматриваемой воде устанавливают на Х (мг/литр), скорость потока рассматриваемой воды за единицу времени V (литр/сутки) регулируют в пределах заданного диапазона с регуляцией количества поступающих компонентов ХПК на одну бактерию в резервуаре для аэрации 40 (загрузка компонент ХПК: Х×V/n).
Очищенную воду, поступающую из данного резервуара для аэрации 40, можно применять для различных целей, таких как применение в оборудовании для получения кокса или в сталелитейном цеху, поскольку концентрация содержащихся в ней компонентов ХПК снижена до примерно 100 (мг/литр) или менее.
Кроме того, даже в том случае, когда очищенную воду сбрасывают в реку или т.п., при регуляции концентрации компонентов ХПК в пределах приведенного выше диапазона нет необходимости осуществлять широкомасштабную отчистку для снижения количества компонентов ХПК.
В связи с этим предпочтительная концентрация компонентов ХПК в очищенной воде, выходящей из резервуара для аэрации 40, составляет, более предпочтительно, 80 (мг/литр) или менее, и, особенно предпочтительно, составляет 60 (мг/литр) или менее.
Для приведения концентрации компонентов ХПК, содержащихся в очищенной воде, выходящей из резервуара для аэрации 40, к приведенному выше значению, описанную выше скорость потока (V), как правило, можно регулировать с тем, чтобы количество компонентов ХПК, поступающих в резервуар для аэрации 40, составляло 100 (пг/копий/сутки) или менее, хотя это зависит от формы резервуара для аэрации 40, условий аэрации и т.п.
Поскольку избыточное ограничение скорости потока приводит к снижению эффективности очистки, предпочтительно, регулировать скорость потока (V) так, чтобы количество компонентов ХПК, поступающих в резервуар для аэрации 40, составляло 10 (пг/копий/сутки) или более.
Не всегда необходимо проводить частый подсчет общего количества бактерий. Однако если не подсчитывать общее количество бактерий в течение длительного периода времени, возникает риск того, что общее количество бактерий, применяемое в качестве индикатора, будет значительно отличаться от реального общего числа бактерий в резервуаре для аэрации 40, в результате чего качество очищаемой воды может непредвиденно ухудшаться.
В связи с этим стадию подсчета общего количества бактерий предпочтительно осуществляют, как правило, с частотой один или более раз за две недели, и предпочтительно с частотой один или более раз в неделю.
В традиционном способе биологической очистки общее количество бактерий не подсчитывают и, таким образом, не уделяют внимания регуляции поступления компонентов ХПК с применением общего числа бактерий в качестве индикатора.
Очищенная вода высвобождается из резервуара для аэрации 40 и поступает в резервуар для осаждения 60 для осуществления осадительного разделения, и полученную надосадочную жидкость затем высвобождают для следующих стадий очистки, одновременно удаляя осажденный ил и таким образом убирая его со дна резервуара.
Часть удаленного таким образом ила возвращают в качестве возвратного ила, например, в резервуар для аэрации 40, при этом оставшийся ил можно очищать как осадочный ил.
Количество ила, содержащегося в резервуаре для аэрации 40, можно изменять, возвращая ил, как описано выше.
Таким образом, можно изменять общее количество бактерий, содержащихся в резервуаре для аэрации 40, посредством регуляции возврата ила.
Таким образом, посредством регуляции количества возвратного ила вместо регуляции количества поступающих компонентов ХПК регулировочным клапаном 51 можно регулировать количество компонентов ХПК, поступающих в резервуар для аэрации 40 на одну бактерию за единицу времени (поступление компонентов ХПК).
Кроме того, также можно регулировать общее количество бактерий, содержащихся в резервуаре для аэрации 40, не только посредством регуляции возврата ила, но также добавлением биологических препаратов и т.п.
Регуляцию общего количества бактерий в резервуаре для аэрации 40 и регуляцию количества компонентов ХПК, поступающих в резервуар для аэрации 40, посредством описанного выше регулировочного клапана 51 или т.п. можно проводить независимо. В другом случае оба способа регуляции можно проводить одновременно с регуляцией поступления компонентов ХПК в резервуар для аэрации 40.
По традиционному способу биологической очистки даже в том случае, когда рассматриваемая вода содержит аммиак, фенол, тиоцианат и т.п., количество рассматриваемой воды, поступающей в резервуар для биологической очистки за единицу времени, регулируют на основании концентрации взвешенных веществ, содержащихся в резервуаре для биологической очистки, как и в других случаях биологической очистки, с тем, чтобы поддерживать на постоянном уровне поступление компонентов ХПК в единицу времени на единицу массы взвешенного вещества.
Однако поскольку ил состоит из неорганических веществ и органических материалов, отличных от бактерий, а также бактерий, связанных с качеством очистки воды, нельзя утверждать, что концентрация взвешенных веществ точно отражает способность ила к разложению компонентов ХПК.
Кроме того, ил состоит из различных типов бактерий, выполняющих различные функции (то есть, выполняющих различные цели очистки), и общее количественное соотношение этих бактерий зависит от изменений в составе рассматриваемой воды, времени задержания взвешенных веществ (SRT) и т.д.
Таким образом, необходимо указать, что с точки зрения точности крайне неблагоприятной является регуляция поступления специфических веществ (например, аммиака, фенола, и т.д.) на основе концентрации взвешенных веществ, представляющих собой смесь различных типов бактерий и неорганических веществ и т.п.
В таком случае существует вероятность того, что компоненты ХПК непредвиденно останутся в очищенной воде.
С другой стороны, по способу биологической очистки согласно настоящему варианту осуществления подсчитывают общее количество бактерий, содержащихся в иле, и на основе подсчитанного общего количества бактерий регулируют количество рассматриваемой воды, которую подают в резервуар для биологической очистки, или количество возвратного ила с регуляцией количества поступающих компонентов ХПК на одну бактерию в заданном диапазоне.
Таким образом, по способу биологической очистки согласно настоящему варианту осуществления перед подачей рассматриваемой воды в резервуар для биологической очистки проводят стадию подсчета общего количества бактерий, содержащихся в описанном выше иле, и стадию регуляции количества поступающих компонентов ХПК на одну бактерию за единицу времени в пределах заданного диапазона на основе общего количества бактерий, полученного на описанной выше стадии.
Описанную выше стадию регуляции количества компонентов ХПК в заданном диапазоне осуществляют, по меньшей мере, на одной из стадий регуляции количества рассматриваемой воды, поступающей в резервуар для биологической очистки, и на стадии регуляции количества ила в резервуаре для биологической очистки.
Таким образом, регулируя общее количество бактерий, можно заранее предсказать количество компонентов ХПК, разлагающихся в резервуаре для биологической очистки, и в результате поддерживать необходимое качество очищенной воды на заданном или более высоком уровне без излишнего снижения количества рассматриваемой воды.
По настоящему варианту осуществления рассматриваемая вода содержит большое количество как фенола, так и тиоцианата, и, таким образом, предсказать количество компонентов ХПК, которые останутся в очищенной воде, особенно трудно. Таким образом, в данном описании приведен пример случая, при котором конденсированную воду, образовавшуюся посредством охлаждения отработанных газов, выделившихся в процессе получения кокса из угля, подвергают очистке в резервуаре для аэрации, поскольку эффект по настоящему изобретению может достоверно проявляться в таких условиях. Однако настоящее изобретение можно применять не только для конденсированной воды, образовавшейся таким образом, но также для полной очистки рассматриваемой воды, содержащей такие вещества, как фенол или тиоцианат, которые оказывают заметное воздействие на биологическую очистку.
В подобных случаях известные в отношении способов биологической очистки технические материалы или аппаратуру можно соответствующим образом выбирать и модернизировать.
ПРИМЕРЫ
Далее в настоящем документе настоящее изобретение более детально описано в следующих примерах. Однако эти примеры не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения.
(Рассматриваемая вода)
Сточную воду, содержащую аммиак, фенол, тиоцианат и т.п., образовавшуюся при прямом или обратном охлаждении газа, выделившегося из коксовой печи, в которой проводили сухую перегонку кокса, в четыре раза разбавляли технической водой и морской водой (отработанная вода:техническая вода:морская вода = 1:1:2), и полученный раствор использовали как рассматриваемую воду, которая представляет собой объект для биологической очистки.
(Резервуар для аэрации)
Описанную выше рассматриваемую воду подвергали биологической очистке в трех резервуарах для аэрации.
3
3
Два из трех резервуаров для аэрации имеют одинаковую форму (17 м × 19 м × 4,6 м) и одинаковый объем (1486 м), а оставшийся резервуар имеет объем, составляющий приблизительно 2/3 от объема двух других одинаковых резервуаров для аэрации (921 м; 14 м × 14 м × 4,7 м).
(Подсчет общего количества бактерий)
Перед проведением биологической очистки собирали пробы ила, содержащегося в каждом из резервуаров, и количество бактерий подсчитывали следующим способом.
(Определение количества бактерий методом ПЦР в реальном времени)
Количество всех бактерий (эубактерий), связанных с удалением компонентов ХПК, аммиак-окисляющих бактерий и нитрит-окисляющих бактерий, связанных с нитрификацией аммиака, фенол-разлагающих бактерий, связанных с разложением фенола, который среди компонентов ХПК является трудно разлагаемым и высокотоксичным, и тиоцианат-разлагающих бактерий, связанных с разложением тиоцианата, оценивали посредством ПЦР в реальном времени.
В таблицах 1 и 2 показаны названия праймеров и образцов, использованных для ПЦР в реальном времени, их нуклеотидные последовательности и условия проведения ПЦР в реальном времени.
(1) Определение общего количества бактерий
Общее количество бактерий (эубактерий) оценивали посредством проб TaqMan с применением BACT1369F в качестве прямого праймера, PROK1492R в качестве обратного праймера и ВАСТ1389 в качестве пробы TaqMan.
(2) Определение количества аммиак-окисляющих бактерий (AOB)
Количество аммиак-окисляющих бактерий (AOB) оценивали посредством проб TaqMan с применением смеси, полученной из CTO189fA/В и CTO189fC в молярном отношении 2:1, в качестве прямого праймера, RT1r в качестве обратного праймера и ТМР1 в качестве пробы TaqMan.
(3) Определение количества нитрит-окисляющих бактерий (NOB)
Nitrospira spp
Nitrobacter spp
Оценку проводили по . и .
Nitrospira spp
Количество . определяли посредством проб TaqMan с применением NSR113f в качестве прямого праймера, NSR1264r в качестве обратного праймера, и NSR1143Taq в качестве пробы TaqMan.
Nitrobacter spp
В то же время, количество . оценивали посредством способа SYBR Green с применением NIT3f в качестве прямого праймера и NIT2r в качестве обратного праймера.
(4) Определение количества фенол-разлагающих бактерий
Количество фенол-разлагающих бактерий определяли посредством способа SYBR Green с применением PHE-F в качестве прямого праймера и PHE-R в качестве обратного праймера.
(5) Определение количества тиоцианат-разлагающих бактерий
Изучали статьи, посвященные способам обнаружения и/или оценки количества тиоцианат-разлагающих бактерий посредством ПЦР, и анализировали условия проведения ПЦР с применением праймеров для ПЦР, приведенных в статьях. Однако представляющие интерес тиоцианат-разлагающие бактерии обнаружить не смогли.
Таким образом, на основе последовательности гена тиоцианат-разлагающего фермента (тиоцианат гидролаза: scnC), зарегистрированного в базе данных (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/), разработали праймеры/пробы, далее используемые для оценки количества (способом TaqMan ПЦР в реальном времени) для 5 типов тиоцианат-разлагающих бактерий, как показано в таблице 3.
Следует отметить, что эти ПЦР праймеры/пробы, используемые для обнаружения и/или оценки количества тиоцианат-разлагающих бактерий, описаны в японской патентной заявке № 2009-33617.
<Ссылки>
1. Hermansson, А, and Lindgren, Р-Е, Appl. Environ. Microbiol. 2001, 67, 972-976,
1. Harms, С., Layton, А.С., Dionisi, Н.М., Garret, V.M., Hawkins, S.A., Robinson, K.G., и Sayler, G.S. Environ. Sci. Technol. 2003, 37, 343-351.
3. Wagner, М., Rath, G., Koops, Н.-Р., Flood, J., и Amman, R.I. 1996, 34, 237-244
4. Brett R. Baldwin, Cindy Н. Nakatsu, и Loring Nies Appl. Environ. Microbiol. 2003, 69, 3350-3358.
5. Suzuki, М.Т., Taylor, L.T., и Delong, E.F. Appl. Environ. Microbiol. 2000, 66, 4605-4614.
<b>[Таблица 2]</b>
Бактерия
Ген
Праймер/Проба
Условия проведения ПЦР
Название
Концентрация (нМ)
Шаг
Температура реакции (°С)
Время
Количествоциклов
Аммиак-окисляющие бактерии (AOB)
AOB16SrDNA
CTO 189fA/BCTO 189fCRT1rTMP1
400<sup>1)</sup>400150
1
50
2 мин
1
2
95
15 мин
1
3
9460
15 с
35
1 мин
Нитрит-окисляющие бактерии (NOB)
<i>Nitrospira spp</i>. 16SrDNA
NSR1113fNSR1264rNSR1143Taq
200200150
1
50
2 мин
1
2
95
15 мин
1
3
9463
15 с1 мин
401
<i>Nitrobacter spp</i>. 16SrDNA
NIT3fNIT2r
100100
1
95
10 мин
1
2
956372
15 с15 с31 с
35
Диссоциация
95
15 с30 с15 с
1
63
98
Фенол-разлагающие бактерии
Фенол-моноокси-геназа
PHE-FPHE-R
300300
1
95
10 мин
1
2
955572
15 с30 с35 с
35
Диссоциация
956095
15 с30 с15 с
1
Тиоцианат-разлагающие бактерии
Тиоцианат-гидролаза(scnC)
scnCTt1FscnCTt1RscnCTt1Taq
300300250
1
50
2 мин
1
2
95
10 мин
1
3
9560
15 с1 мин
45
Эубактерии
Эубактериальная 16SrDNA
BACT1369FPROK1492RBACT1389
200300200
1
50
2 мин
1
2
95
10 мин
1
3
9556
15 с1 мин
35
1) CTO189fA/B перед применением смешивали с CTO198fC в молярном соотношении 2:1.
В таблице 4 показано качество рассматриваемой воды, которую вносили в каждый из резервуаров для аэрации, среднее значение, максимальное значение и минимальное значение поступления, составленного притоком рассматриваемой воды.
Следует отметить, что резервуар для аэрации, обозначенный в таблице как "№ 3 АТ", представляет собой резервуар для аэрации с отличным от других объемом, а резервуары для аэрации, обозначенные как "№ 7 АТ" и "№ 8 АТ" представляют собой два резервуара для аэрации с одинаковым объемом.
В дальнейшем эти резервуары для аэрации обозначают как "АТ № 3", "АТ № 7" и "АТ № 8" или просто "№ 3", "№ 7" и "№ 8".
(Изменение количества компонентов ХПК)
На фиг. 2 показано изменение количества компонентов ХПК, поступающих в каждый из резервуаров для аэрации, за 1 сутки в течение периода наблюдений (приблизительно 150 суток).
Как показано на фиг. 2, количество компонентов ХПК, поступающих в "№ 3 АТ", за сутки изменялось от 586 до 898 кг/день, и максимальное значение превышало минимальное значение приблизительно в 1,5 раз.
С другой стороны, "№ 7 АТ" и "№ 8 АТ" применяли при том же уровне поступления, и количество компонентов ХПК изменялось от 2520 до 3400 кг/день. Максимальное значение превышало минимальное значение приблизительно в 1,4 раз.
"№ 3 АТ" отличался от "№ 7 АТ" и "№ 8 АТ" в отношении поступающего объема. Резервуары для аэрации "№ 7 АТ" и "№ 8 АТ" применяли при уровне поступления приблизительно в 2,5 раза выше, чем для "№ 3 АТ".
(Изменение количества аммонийного азота (NH4-N))
На фиг. 3 показаны результаты, полученные при наблюдении за количеством аммонийного азота, поступающего в каждый из резервуаров для аэрации, в сутки за приблизительно 150 суток.
NH4
Как показано на фиг. 3, количество компонент -N, поступающих в "№ 3 АТ" в сутки, изменялось от 369 до 577 кг/день, и максимальное значение превышало минимальное значение приблизительно в 1,6 раз.
NH4
С другой стороны, "№ 7 АТ" и "№ 8 АТ" применяли при одинаковом уровне поступления, и количество компонент -N изменялось от 1699 до 2170 кг/день. Максимальное значение превышало минимальное значение приблизительно в 1,3 раз.
(Изменение количества фенола)
Как и выше, на фиг. 4 показаны результаты, полученные при наблюдении за количеством фенола, поступающего в каждый из резервуаров для аэрации, в сутки за приблизительно 150 суток.
Как показано на фиг. 4, количество фенола, поступающего в "№ 3 АТ", в сутки изменялось от 180 до 317 кг/день, и максимальное значение превышало минимальное значение приблизительно в 1,8 раз.
С другой стороны, "№ 7 АТ" и "№ 8 АТ" применяли при одинаковом уровне поступления, и количество фенола изменялось от 795 до 1146 кг/день. Максимальное значение превышало минимальное значение приблизительно в 1,4 раз.
(Изменение количества тиоцианата)
Как и выше, на фиг. 5 показаны результаты, полученные при наблюдении за количеством тиоцианата, поступающего в каждый из резервуаров для аэрации, в сутки за приблизительно 150 суток.
Как показано на фиг. 5, количество тиоцианата, поступающего в "№ 3 АТ", в сутки изменялось от 41 до 64 кг/день, и максимальное значение превышало минимальное значение приблизительно в 1,6 раз.
С другой стороны, "№ 7 АТ" и "№ 8 АТ" применяли при одинаковом уровне поступления, и количество тиоцианата изменялось от 175 до 235 кг/день. Максимальное значение превышало минимальное значение приблизительно в 1,3 раз.
В таблице 5 показано качество очищенной воды и среднее значение, максимальное значение и минимальное значение степени удаления [(поступающее количество - количество, оставшееся в очищенной воде)/поступающее количество × 100%] каждого из компонентов.
Мn
Между тремя резервуарами для аэрации в отношении степени удаления растворимых ХПК не наблюдали достоверных отличий. В отношении качества очищенной воды "№ 3 АТ" показал самые низкие значения. Далее, "№ 8 АТ" и "№ 7 АТ" показали самый высокий уровень качества воды.
Предполагают, что разница в качестве очищенной воды вызвана разницей в поступлении компонентов ХПК на количество бактерий, что будет описано далее.
NH4
Компоненты -N почти не удалялись, то есть, они почти не окислялись до NO2-N, и максимальная степень удаления составляла от 10% до 19%.
Фенол удалялся практически на 100% во всех резервуарах для аэрации, и наивысшая концентрация фенола в очищенной воде составляла 0,1 мг/л или менее.
Степень удаления тиоцианата составляла 97% (в среднем) во всех резервуарах для аэрации, и, таким образом, он хорошо удалялся.
В таблице 6 показано среднее значение, максимальное значение и минимальное значение общего количества бактерий, аммиак-окисляющих бактерий (AOB), нитрит-окисляющих бактерий (NOB), фенол-разлагающих бактерий и тиоцианат-окисляющих бактерий, каждое из которых указано для 1 мг ила, содержащегося в каждом из резервуаров для аэрации.
(Изменение общего количества бактерий)
На фиг. 6 показаны результаты, полученные при наблюдении за общим количеством бактерий (эубактерий) в 1 мг ила, содержащемся в каждом из резервуаров для аэрации, за приблизительно 150 суток (изменение количества бактерий).
Достоверных различий между резервуарами для аэрации в отношении общего количества бактерий, содержащихся в иле, не обнаружили.
9
Кроме того, общее количество бактерий в одном резервуаре для аэрации за время наблюдений значительно не изменялось, и количество бактерий характеризовалось относительной стабильностью (приблизительно 5×10 (копий/мг MLSS)).
(Изменение количества аммиак-окисляющих бактерий (AOB))
На фиг. 7 показаны результаты, полученные при наблюдении за количеством AOB в 1 мг ила, содержащегося в каждом из резервуаров для аэрации, за приблизительно 150 суток (изменение количества бактерий).
Обнаружены различия между резервуарами для аэрации с точки зрения количества AOB в иле.
5
6
Таким образом, количество AOB в иле было наименьшим в "№ 7 АТ" и составляло 3,19×10 (копий/мг MLSS). Количество AOB в иле в "№ 3 АТ", который содержал наибольшее количество бактерий, составляло 4,21×10 (копий/мг MLSS). Таким образом, их количество различалось в 10 раз.
Кроме того, количество AOB в одном резервуаре для аэрации значительно изменялось за время наблюдений, и их максимальное значение в 100 раз превышало их минимальное значение.
(Изменение количества нитрит-окисляющих бактерий (NOB))
На фиг. 8 показаны результаты, полученные при наблюдении за количеством NOB в 1 мг ила, содержащегося в каждом из резервуаров для аэрации, за приблизительно 150 суток (изменение количества бактерий).
Как и в случае с AOB, в отношении количества NOB в иле обнаружили различия между резервуарами для аэрации. Кроме того, количество NOB в одном резервуаре для аэрации периодически изменялось, и их максимальное значение приблизительно в 10 раз превышало их минимальное значение.
(Изменение количества фенол-разлагающих бактерий)
На фиг. 9 показаны результаты, полученные при наблюдении за количеством фенол-разлагающих бактерий в 1 мг ила, содержащегося в каждом из резервуаров для аэрации, за приблизительно 150 суток (изменения количества бактерий).
В результате в отношении количества фенол-разлагающих бактерий не обнаружили почти никакой разницы между резервуаром для аэрации "№ 7" и резервуаром для аэрации "№ 8," но количество бактерий, содержащихся в резервуаре для аэрации "№ 3", было ниже, чем в двух других резервуарах для аэрации.
Кроме того, количество фенол-разлагающих бактерий в одном резервуаре для аэрации изменялось, достигая минимального значения через приблизительно 30 суток. После этого количество бактерий незначительно увеличивалось.
(Изменение количества тиоцианат-разлагающих бактерий)
На фиг. 10 показаны результаты, полученные при наблюдении за количеством тиоцианат-разлагающих бактерий в 1 мг ила, содержащегося в каждом из резервуаров для аэрации, за приблизительно 150 суток (изменение количества бактерий).
В отношении количества указанных бактерий, находящихся в каждом из резервуаров для аэрации, наблюдали значительные различия между резервуарами для аэрации. Наибольшее количество указанных бактерий обнаружили в резервуаре для аэрации "№ 3," и количество бактерий в "№ 3" приблизительно в 100 раз превышало количество бактерий в резервуаре для аэрации "№ 8," в котором находилось наименьшее количество бактерий.
Затем анализировали корреляцию между: общим количеством бактерий, количеством аммиак-окисляющих бактерий, количеством нитрит-окисляющих бактерий, количеством фенол-разлагающих бактерий и количеством тиоцианат-разлагающих бактерий, каждое из которых получали способом биологической диагностики (способ количественной ПЦР); поступлением компонентов ХПК, поступлением аммиака, поступлением нитритов, поступлением фенола и поступлением тиоцианата; и качеством очищенной воды.
Результаты показаны в таблице 7.
Как показано в таблице 7, при стандартном значении 1% обнаружили отрицательную корреляцию между общим количеством бактерий и концентрацией ХПК в очищенной воде, и также между количеством нитрит-окисляющих бактерий (NOB) и концентрацией ХПК в очищенной воде.
Таким образом, когда концентрация ХПК в очищенной воде возрастала, общее количество бактерий и количество NOB снижались.
Предполагают, что приведенные выше результаты получены потому, что трудно разлагаемые компоненты ХПК влияют на эти бактерии и ингибируют их рост в данном анализе.
(Связь поступления компонентов ХПК с количеством бактерий в очищенной воде)
Для выбора индикатора для регуляции работы оборудования для очистки отработанной воды, образовавшейся в результате обработки кокса, применяемого в данном анализе, анализировали связь поступления компонентов ХПК на одну бактерию (количество компонентов ХПК, обрабатываемых одной бактерией за 1 сутки) с качеством очищенной воды.
Как показано на фиг. 11 (левая фигура), обнаружили высокую корреляцию между поступлением компонент ХПК на одну бактерию и качеством очищенной воды, и когда поступление компонентов ХПК на одну бактерию возрастало, также возрастала концентрация ХПК в очищенной воде.
Таким образом, полагают, что качество очищенной воды можно регулировать, поддерживая в резервуаре для биологической очистки количество бактерий, соответствующее уровню поступления компонентов ХПК.
С другой стороны, как показано на фиг. 11 (правая фигура), для соотношения поступления компонентов ХПК на MLSS (поступление ХПК-MLSS), которое применяли в качестве контроля в традиционной биологической очистке, и концентрацией ХПК в очищенной воде, коэффициент корреляции (R2) был ниже, чем на левой фигуре, и наклон линии регрессии становился положительным или отрицательным в зависимости от типа применяемого резервуара для аэрации, вызывающего определенные изменения.
Как описано выше, обнаружили, что при биологической очистке рассматриваемой воды, содержащей фенол или тиоцианат, количество бактерий в иле оценивали способом биологической диагностики и определяли новый индикатор для регуляции "подача компонент ХПК на одну бактерию", в результате чего качество очищенной воды посредством настоящего способа биологической очистки можно регулировать более точно, чем посредством традиционного способа регуляции поступления, основанного на MLSS.
Как описано выше, поскольку традиционный способ регуляции поступления, основанный на MLSS, предсказывает степень удаления компонентов ХПК с низкой точностью, тогда как количество компонентов ХПК, остающихся в очищенной воде, необходимо строго поддерживать на заданном или более низком уровне, может возникать ситуация, при которой количество поступающих компонентов ХПК на одну бактерию становится значительно ниже, чем разлагающая способность бактерий. Таким образом, проблема традиционного способа заключается в том, что бактерии не могут полностью проявить свои свойства.
С другой стороны, по настоящему изобретению, поскольку нагрузку на одну бактерию регулируют напрямую, можно поддерживать состояние, при котором бактерии смогут максимально проявить свои разлагающие свойства.
Таким образом, также в отношении приведенных выше сведений, установили, что способ биологической очистки по настоящему изобретению является предпочтительным по сравнению с традиционным способом биологической очистки.
(Обсуждение отдельных бактерий)
(Связь количества NOB с концентрацией ХПК в очищенной воде)
Связь количества NOB в каждом резервуаре для аэрации с концентрацией ХПК в очищенной воде показана на фиг. 12.
Как показано на этой фигуре, при возрастании концентрации компонентов ХПК, которые не разложились в резервуаре для аэрации и остались в очищенной воде, количество NOB снижалось.
Как правило, NOB не связывают с разложением органических компонентов ХПК. Таким образом, указанная выше тенденция позволяет предположить, что оставшиеся компоненты ХПК ингибируют рост NOB, и, таким образом, можно считать, что NOB можно применять как индикатор для учета поступления токсичных компонентов.
(Поступление фенола для фенол-разлагающих бактерий и поступление тиоцианата для тиоцианат-разлагающих бактерий)
Как показано на фиг. 11, анализировали количество поступающего фенола на одну фенол-разлагающую бактерию за единицу времени (подача фенола) и количество поступающего тиоцианата на одну тиоцианат-разлагающую бактерию за единицу времени (подача тиоцианата). Однако корреляции между ними не обнаружили.
Как показано ниже в таблице 8, в "№ 3 АТ" и "№ 7 АТ" максимальное значение поступления фенола на одну фенол-разлагающую бактерию приблизительно в 7,5 раз превышало минимальное значение. В "№ 8 АТ" максимальное значение данной величины значительно (приблизительно в 9,4 раз) превышало минимальное значение.
Тем не менее, концентрация фенола в очищенной воде составляла 0,1 мг/л или менее, что указывает на то, что фенол чрезвычайно эффективно удалялся (степень удаления: приблизительно 100%).
Таким образом, полагают, что при такой эксплуатации каждого резервуара для аэрации, при которой поступление фенола на одну фенол-разлагающую бактерию является максимальным или ниже для каждого резервуара для аэрации, можно получать хорошее качество воды.
В резервуарах для аэрации "№ 3 АТ", "№ 7 АТ" и "№ 8 АТ" максимальное значение количества тиоцианата, поступающего на одну тиоцианат-разлагающую бактерию за единицу времени (подача тиоцианата), значительно превышало минимальное значение (приблизительно в 710 раз, приблизительно в 160 раз и приблизительно в 9 раз выше, соответственно, в вышеуказанных резервуарах). Тем не менее, получали хорошее качество воды (концентрация тиоцианата в очищенной воде: 7,0 мг/л или менее; степень удаления: 93% или более).
Таким образом, полагают, что при такой эксплуатации каждого резервуара для аэрации, при которой поступление тиоцианата на одну тиоцианат-разлагающую бактерию является максимальным или более низким для каждого резервуара для аэрации, можно получить хорошее качество воды.
<b>[Таблица 8]</b>
Резервуар для аэрации
Фенол-фенол-разлагающие бактерии
Тиоцианат-тиоцианат-разлагающие бактерии
Поступление (пг/копия/сут)
Поступление (пг/копия/сут)
№ 3AT
Среднее
738
90774
Максимум
1,535
574561
Минимум
204
810
№ 7AT
Среднее
1,225
883369
Максимум
2,313
3342440
Минимум
312
20891
№ 8AT
Среднее
1,811
1220969
Максимум
3,596
3390189
Минимум
381
373309
Как указано выше, посредством предварительного подсчета общего количества бактерий можно предсказывать количество компонентов ХПК, разлагаемых в резервуаре для биологической очистки, в результате чего можно поддерживать качество очищенной воды на заданном или более высоком уровне без излишнего снижения количества рассматриваемой воды.
Кроме того, посредством подсчета количества нитрит-окисляющих бактерий, а также общего количества бактерий можно оценивать приток вредных для биологической очистки компонент, таких как фенол или тиоцианат.
Кроме того, также подсчитывают количество фенол-разлагающих бактерий и количество тиоцианат-разлагающих бактерий и, таким образом, заранее оценивают максимальную нагрузку для поддержания количества остающегося в очищенной воде фенола или тиоцианата на заданном или более низком уровне. Соответственно, биологическую очистку проводят с применением максимального поступления в качестве индикатора с тем, чтобы качество очищенной воды было достоверно хорошим.
Таким образом, посредством подсчета количества фенол-разлагающих бактерий и количества тиоцианат-разлагающих бактерий можно повышать эффективность биологической очистки по сравнению со способом традиционной биологической очистки, и, в то же время, более надежно понижать вероятность того, что очищенная вода не будет обладать желаемым качеством.
ОПИСАНИЕ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
10: обратный холодильник, 11: охлаждающая труба, 20: прямой холодильник, 21: газоочиститель, 30: мехосветлитель, 40: резервуар для аэрации (резервуар для биологической очистки), 50: аппарат управления скоростью потока, 51: регулировочный клапан, 60: резервуар для осаждения