СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ФОСФАТОВ
METHOD FOR BIOLOGICAL PURIFICATION OF WASTE WATER FROM PHOSPHATES

Изобретение относится к области очистки сточных вод от соединений фосфора. Изобретение может быть использовано для получения микробных сообществ, обогащенных фосфат-аккумулирующими микроорганизмами с дальнейшим их использованием в качестве инокулята на промышленных очистных сооружениях, применяющих технологию биологического удаления фосфора. Изобретение также может использоваться для получения накопительных культур фосфат-аккумулирующих организмов в научно-исследовательских целях.
Фосфор - биогенный элемент, играющий ключевую роль во многих природных и искусственных экосистемах. Интенсификация его добычи и использования привели к возникновению двух масштабных проблем: массовой эвтрофикации водоемов, вызванной попаданием фосфора со сточными водами и опасности возникновения в ближайшие десятилетия глобального дефицита фосфора в связи с ограниченностью и невозобновляемостью его минеральных запасов.
Наиболее рациональный путь решения этих проблем заключается в разработке и внедрении технологий удаления фосфора из сточных вод до экологически безопасного уровня и перевод извлеченного фосфора в товарный продукт для повторного использования (Cordell D.,White S. SustainablePhosphorusMeasures: Strategiesand Technologies for Achieving Phosphorus Security // Agronomy. 2013. V. 3. P. 86-116. Cornel P., Schaum C. Phosphorus recovery from wastewater: needs, technologies and costs // Water Science & Technology. 2009. V. 59. No 6. P. 1069-1076.).
Эффективные способы удаления соединений фосфора из сточных вод включают этапы биологического удаления фосфора (Hirota R., Kuroda A., Kato J., Ohtake H. Bacterial phosphate metabolism and its application to phosphorus recovery and industrial bioprocesses // J. Biosci. Bioeng. 2010. V. 109. P. 423-432), основанные на циклических биохимических процессах, характерных для микроорганизмов, относящихся к малоизученной группе фосфат аккумулирующих организмов (ФАО).
Известные технологии биологического удаления фосфора относятся либо к непрерывным процессам, либо к так называемым SBR-процессам, организованным в реакторах типа SBR (Sequencing Batch Reactor - реактор последовательно-периодического (последовательно-циклического) действия) (Wastewater Engineering. Treatment and Resource Recovery, fifth ed., Metcalf & Eddy/AECOM. Revised by G. Tchobanoglous, H.D. Stensel, R. Tsuchihashi, F. Burton, M. Abu-Orf, G. Bowden, W. Pfrang. Mc Graw Hill Education, New York, NY, 2014; Sequencing Batch Reactor Technology. Scientific & Technical Reports No. 10 / Eds. Wilderer P.A., Irvine R.L., Goronszy M.C. IWA Publishing. 2001, 76). Например, известен способ биологического удаление фосфора в непрерывном процессе, заключающийся в смешивании возвратного активного ила с поступающей сточной водой в анаэробных условиях, и затем перемещение иловой смеси в зону аэрации, где происходит «жадное» поглощение фосфатов (US 3236766,1966).
Недостатком непрерывных процессов являются значительные площади, занимаемые сооружениями, необходимость перекачки значительных объемов жидкости для создания технологических зон (так называемые «рециклы»), что значительно удорожает и усложняет очистку воды.
Этого недостатка лишены способы, использующие реакторы последовательно-периодического типа - SBR-реакторы, характеризующиеся более высокой объемной мощностью за счет совмещения функций биореактора и отстойника (илоотделителя) в одной емкости. За один цикл в SBR культура проходит через серию фаз с заданной продолжительностью и последовательностью: заполнение реактора, фаза с аноксидными условиями, фаза с анаэробными условиями, фаза с аэробными условиями, фаза отстаивания и удаление отработанной среды.
Например, известен способ очистки сточных вод от биогенных элементов, включая фосфор, в биореакторе типа SBR с формированием псевдоожиженного слоя, согласно которому на первой стадии происходит подача сточной воды в реактор с гранулированным активным илом, затем происходит перемешивание в анаэробных условиях, на следующей стадии реактор аэрируют, на четвертой стадии происходит отстаивание иловой смеси, на пятой - слив очищенной воды (US 2014/0224729, 2014). Основное условие для реализации SBR-процесса очистки сточных вод - способность выращиваемой биомассы к осаждению (в широком смысле - к достаточно быстрому отделению от жидкой фазы), и поэтому биомасса выращивается в виде флоккул или гранул быстро оседающего активного ила или на поверхности загрузочных элементов.
Известен способ биологического удаления фосфора в реакторе типа SBR, с использованием гранулированного активного ила и предусматривает необходимость стадии отстаивания ила в биореакторе (RU 2334685, 2008).
Однако флоккулы активного ила имеют сложную многокомпонентную структуру, содержат балластные вещества, поэтому получить искусственное микробное сообщество с контролируемыми микробными компонентами, в котором доминируют ФАО, в этом случае чрезвычайно сложно. Другим недостатком использования гранулированной биомассы является замедление биохимических реакций вследствие медленного массообмена, вызванного наличием диффузионного барьера между наружными и внутренними слоями гранул активного ила, который имеет миллиметровые размеры. Кроме того использование флоккул или гранул может приводить к закупорке диффузоров аэрационных систем, а также к залеганию ила на дне биореактора при аварийном отключении систем перемешивания.
Наиболее близким техническим решением, которое выбрано нами в качестве прототипа, является способ биологической очистки сточной воды от фосфатов, осуществляемый в биореакторе последовательно-периодического действия. Способ включает стадию подачи в биореактор сточной воды и активного ила, содержащего микробные культуры, обогащенные фосфат-аккумулирующими организмами (ФАО), стадию анаэробного роста ФАО с использованием ионов ацетата в качестве источника углерода, стадию роста ФАО в условиях аэрации воздухом, стадию осаждения активного ила и стадию вывода очищенной водной среды. Активный ил в известном решении удаляет 75-80% фосфора из очищаемой среды (Котляров Р.Ю. и др., Новые фосфат-аккумулирующте бактерии, обнаруженные в установке для очистки сточных вод от фосфатов, Микробиология, т. 88, 6, 2019, с. 710-714).
Однако известный способ является недостаточно эффективным. Достижение высокой степени очистки от фосфатов требует значительного времени проведения процесса за счет низкой удельной активности биомассы активного ила, содержащего указанные в известном решении ФАО.
Задачей предложенного технического решения является разработка нового эффективного способа очистки сточных вод от фосфатов с использованием микробных ассоциаций, обогащенных ФАО.
Техническим результатом изобретения является повышение скорости удаления фосфатов из сточной воды и стабилизация процесса за счет развития в биореакторе микроорганизмов, обладающих повышенной удельной активностью, а также расширение ассортимента биологических способов очистки сточной воды от фосфатов.
Поставленная задача решается описываемым способом очистки сточной воды от фосфатов в биореакторе последовательно-периодического действия (реактор типа SBR), который включает стадию подачи в биореактор сточной воды и активного ила, содержащего микробные культуры, обогащенные культивируемыми фосфат-аккумулирующими организмами (ФАО), стадию создания анаэробных условий, стадию анаэробного роста ФАО с использованием ионов ацетата в качестве источника углерода, стадию роста ФАО в условиях аэрации воздухом при интенсивности, обеспечивающей концентрацию кислорода в среде 2-3 мг/л, с формированием микробного сообщества, характеризующегося наличием агрегатов размером, не превышающим 25 мкм, содержащих ФАО семейства Rhodocyclaceae, относящиеся к родам Dechloromonas и Zoogloea, и последующую за аэрацией стадию вывода очищенной гомогенной водной среды, осуществляемой в отсутствии осаждения и концентрирования активного ила в биореакторе.
Предпочтительно, вывод очищенной водной среды из биореактора производят через п циклов, состоящих из стадий анаэробного и аэробного роста ФАО, при этом объем выводимой водной среды равен суммарному объему очищаемой среды, поданной за n циклов, где n=4.
Преимущественно, при запуске биореактора подают активный ил из сооружений биологической очистки сточных вод от фосфора, содержащий известные ФАО семейства Rhodocyclaceae - Са. Accumulibacter.
Стадию создания анаэробных условий предпочтительно, но не исключительно, проводят путем продувки реактора азотом в течение 5 минут.
Стадию анаэробного роста ФАО, предпочтительно, проводят при рН среды 8,5-8,7 и температуре 18-20°С в течение 2 ч 50 минут.
Стадию аэробного роста, предпочтительно, проводят при рН среды 8,5-8,7 и температуре 18-20°С в течение 3 ч.
Технический результат изобретения достигается в объеме независимого пункта формулы, поскольку при проведении способа в объеме совокупности признаков, включенных в независимый пункт формулы, создаются условия культивировании нового микробного сообщества ФАО, которое обладает большей удельной активностью по сравнению с удельной активностью микробного сообщества, культивированного в способе-прототипе.
Предлагаемый способ после подачи в реактор исходной очищаемой среды, содержащей активный ил, по сути, состоит из следующих последовательно протекающих стадий:
1. Стадия создания анаэробных условий;
2. Анаэробная стадия с добавлением легкодоступного источника углерода и энергии в виде ацетата;
3. Аэробная стадия, осуществляемая при заявленных условиях после потребления ацетата;
4. Стадия удаления очищенной водной среды и части культуры без проведения стадии отстаивания ила;
При этом стадии 1-3 обязательно входят в каждый цикл, а стадию 4 (удаление) можно повторять через несколько стадий 1-3.
На фиг 1 приведена одна из возможных схем установки для осуществления заявленного способа, где соответствующие номера позиций обозначают следующие узлы:
1 - биореактор;
2 - насос для подачи сточной воды;
3 - насос вывода очищенной среды и культуры;
4 - воздушный компрессор;
5 - источник газообразного азота;
6 - система регулирования подачи газов;
7 - кислородомер.
4
На фиг. 2 приведен график содержания растворимых фосфатов в биореакторе в ходе процесса культивирования: кривая 1 - концентрация Р-PO в сточной воде, поступающей в реактор, кривая 2 - концентрация Р-РО4 на выходе из биореактора.
Эффективность разработанного нами способа подтверждена ниже.
Пример.
Лабораторная установка для циклического культивирования микробного сообщества изготовлена на основе биореактора BIOSTAT В (фирмы «SARTOPJUS»), имеющего рабочий объемом 2 л, снабженного перемешивающим устройством и внешней рубашкой для термостатирования.
Цикличность культивирования заключалась в чередования анаэробных условий с присутствием ацетата (легкодоступного источника углерода и энергии) и аэробных условий без ацетата (после его потребления в анаэробную стадию). Подачу очищаемой среды в биореактор и вывод очищенной среды и культуры осуществляли с помощью двух перистальтических насосов. Аэробные и анаэробные условия создают за счет подачи в биореактор воздуха или азота, очищенного от следов кислорода, с использованием системы регулирования подачи газов (ООО «ЭЛТОЧПРИБОР», РФ). Управление газовыми потоками и перистальтическими насосами осуществляют в автоматическом режиме с использованием универсального логического модуля LOGO (SIEMENS).
Каждый цикл культивирования микробного сообщества в биореакторе длился 6 часов и состоял из нескольких последовательных стадий:
2
(1) создание анаэробных условий продувкой реактора азотом в течение 5 минут (за это время концентрация О в культуре падала ниже 0,05 мг/л), после чего в биореактор подают сточную воду в объеме 0,125 л. Общая продолжительность этого этапа составила 10 мин.
(2) анаэробная стадия, в течение которого осуществляют перемешивание среды мешалкой со скоростью 200 об/мин. Продолжительность анаэробного периода составила 2 часа 50 мин.
(3) аэробная стадия, в течение которого микробное сообщество, содержащееся в водной среде, аэрируют воздухом при интенсивности, обеспечивающей концентрацию кислорода 2-3 мг/л. Продолжительность аэробной стадии составила 3 часа.
Через каждые четыре цикла, состоящего из анаэробной и аэробной стадий (общей продолжительностью 24 часа), в конце аэробного периода (за 5 минут до его окончания) прекращают подачу воздуха и 0,5 литра гомогенной водной среды, содержащей сформированное микробное сообщество сливают из биореактора.
3
2
4
2
4
2
4
4
2
На стадии (1) ректор инокулирован илом аэротенков Люберецких очистных сооружений (г. Москва). Сточная вода, подаваемая в реактор, соответствовала по составу сточной воде коммунальных очистных сооружений. Водная среда, подаваемая на очистку, имела следующий состав (в г/л): CHCOONa×3HO - 0,708; (NH)SO - 0,046; KHPO-0,109; дрожжевой экстракт - 0,009; MgSO×7HO - 0,135. рН - 8.5-8.7, температура - 18-20°С.
Химические анализы проводили по стандартным методикам. Концентрацию растворенного кислорода измеряли электрохимически с использованием кислородомера Oxi 197 (WTW, Германия).
Морфологию клеток и их агрегатов исследовали на микроскопе «Olympus СХ41» с фазовым контрастом («Olympus», Япония). Фосфат-аккумулирующие бактерии в составе микробного сообщества определяли по наличию в составе клеток гранул, состоящих из соединений фосфора. Количество клеток (% от состава клеток всего сообщества), имеющих в своем составе различные включения, определяли на основании среднего значения, полученного при подсчете клеток в 80 полях зрения.
Было исследовано четыре образца активного ила:
(1) из промышленного биореактора по удалению органического вещества, аммония и фосфора (Люберецкие очистные сооружения, г. Москва). Данный образец использовался для загрузки лабораторной установки.
(2) ила, отобранного из лабораторного биореактора на 8й день с момента его пуска.
(3) ила, отобранного из лабораторного биореактора на 15й день с момента его пуска.
(4) ила, отобранного из лабораторного биореактора на 22й день с момента его пуска.
В ходе осуществления процесса определяли содержание фосфора в воде, очищенной в биореакторе, а также состав микробного сообщества с использованием метагеномных методов молекулярной биологии (Mardanov A.V. et al. Metagenome of the microbial community of anammox granules in a nitritation/anammox wastewater treatment system // Genome Announcements. 2017. V5. Iss. 42. e01115-17).
4
Содержание взвешенного вещества в биореакторе после его инокуляции активным илом составляло 3,4 г/л, рН 8.5. В течение первых 15 суток происходило уменьшение массы взвеси до 0,2 г/л. После 15 и до 22 суток работы концентрация микробной биомассы и значение рН водной фазы в реакторе находились на постоянном уровне, что свидетельствовало о стабилизации его работы. При этом одновременно происходило постепенное уменьшение содержания фосфатов в водной фазе реактора. На 5 сутки культивирования разница между количеством фосфатов в исходной среде и сливной воде биореактора составляла 4,9 мг/л. К 8 суткам эта цифра возрастала в 1,5 раза (до 7,2 мг/л), а к 22 суткам она составила 11-12 мг Р-PO/л, что соответствовало 50% удаления фосфора из поступающей среды (см. фиг. 2 и табл. 1).
При этом удельная активность биомассы активного ила выросла в 17 раз, что свидетельствует об эффективности нарастания активности ФАО и росте их доли в микробном сообществе активного ила.
Данный пример иллюстрирует техническую возможность и эффективность очистки сточной воды по разработанной технологии - с использованием модифицированного реактора SBR - типа. Как видно из таблицы 1, проведение процесса в условиях прототипа гораздо менее эффективно, чем в условиях заявленного способа.
Важно, что фосфат-аккумулирующее микробное сообщество, культивированное в заявленных условиях оказалось в 2 раза более активное, чем в прототипе, и оно было получено всего за 2 недели, тогда как обычно период пуско-наладки занимает до нескольких месяцев.
Сравнение результатов очистки воды, полученных по разработанной нами технологии, с результатами очистки воды по известной технологии показало повышенную эффективность удаления фосфора по предложенному способу. В частности, концентрация фосфора в сточных водах обычно составляет 4-8 мг/л и снижается до концентраций менее 1 мг/л. При этом концентрация активного ила в промышленных аэротенках, как правило, находится в пределах 3-4 г/л, что с учетом времени пребывания 12 ч дает величину удельной активности биомассы по удалению фосфора не более 0.2 мг Р/г ила*ч. В условиях осуществления предложенного нами способа величина удельной активности составила 0,85 мг Р/г ила*ч (в 4 раза выше, чем в промышленных аэротенках).
Расчетная удельная активность биомассы активного ила в способе-прототипе через 3 недели составляет 0,38 мг Р/г ила*ч (табл. 2), то есть в 2 раза ниже, чем по предложенному способу.
Полученный технический результат напрямую связан с тем, что нами выявлены условия осуществления предложенного способа очистки: последовательность стадий и их параметры, указанные выше, в которых культивируется микробное сообщество, содержащее новые доминирующие представители ФАО, обладающие повышенной активностью.
Молекулярно-биологические методы позволили проследить динамику развития микробного сообщества и определить доминирующих представителей ФАО. В активном иле очистных сооружений, который мы использовали как инокулянт, были идентифицированы известные ФАО семейства Rhodocyclaceae - Са. Accumulibacter, которые считаются типичными для очистных сооружений представителями этой физиологической группы.
Однако, в процессе осуществления способа доля исходных микроорганизмов снижалась. К моменту наиболее эффективного удаления фосфора микробным сообществом (22 сут) исходные бактерии Candidatus "Accumulibacter phosphatis" не были идентифицированы в составе. После стадии аэрации в отсутствии стадии осаждения в качестве доминирующей группы в сообществе сформировались представители семейства Rhodocyclaceae, относящиеся к родам Dechloromonas и Zoogloea, доля которых увеличилась за время работы реактора максимально по сравнению другими бактериями и достигла 22% от численности всех бактерий. Именно эти бактерии, входящие в агрегаты, размер которых при исключении стадии осаждения не превышает 25 мкм, обеспечивают более высокую скорость удаления фосфора из сточной воды, т.е. повышенную эффективность процесса.
Предложенный способ при модифицированном циклическом последовательно-периодическом проведении стадий культивирования микробного сообщества позволяет культивировать новые ФАО, обладающие повышенной активностью, и являющиеся перспективным средством для дальнейшего развития биотехнологий по удалению фосфора из водных сред. Кроме того, разработанный нами способ может быть использован для культивирования в значительных количествах новых представителей ФАО.
Изобретение расширяет ассортимент эффективных способов биологической очистки водных сред от загрязнений соединениями фосфора.