Микробиологическая специфика системы удаления фосфатов с помощью армированного загрузочного материала

УДК 628.353.153

О.А. Ружицкая

ФГБОУВПО «МГСУ»

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ СПЕЦИФИКА СИСТЕМЫ УДАЛЕНИЯ ФОСФАТОВ С ПОМОЩЬЮ АРМИРОВАННОГО ЗАГРУЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА

Приведены результаты микробиологических исследований, направленных на изучение глубокого удаления фосфатов из хозяйственно-бытовых сточных вод. Предложен способ глубокой очистки сточных вод с использованием армированного загрузочного материала. Изучение живой культуры активного ила и биопленки в световом микроскопе показало активизирующее действие армированного загрузочного материала на жизнедеятельность микронаселения активного ила и биопленки. Стальная проволока, содержащаяся в загрузочном материале, оказывает существенное влияние на количество и разнообразие видового состава простейших в активном иле, а также приводит к интенсивному развитию Chlorella sp.

Ключевые слова: глубокая очистка сточных вод, удаление фосфатов, армированный загрузочный материал, активный ил, биопленка, биоценоз, Chlorella sp., сточные воды, биологическая очистка, аэротенк.

В последние годы все острее встает вопрос ухудшения экологии водных объектов нашей страны. Повышенное содержание биогенных элементов в водоемах приводит к серьезным последствиям, вплоть до его гибели. Один из основных источников попадания биогенных элементов в водоемы — сточные воды, в частности коммунальные. Поэтому, в целях предотвращения эвтрофи-кации водоемов, особое внимание следует уделять очистке от биогенных элементов, в частности фосфора, сточных вод.

Целью работы была разработка технологии по удалению фосфатов из бытовых сточных вод, доступной для широкого использования на очистных сооружениях, экономичной и простой в эксплуатации.

Основываясь на проведенных исследованиях, технология с использованием армированного загрузочного материала удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям, а также обеспечивает высокое качество очистки сточной воды как по фосфатам, так и по органическим загрязнениям до показателей требуемых для сброса в водоемы рыбохозяйственного пользования. Суть метода заключается в оборудовании сооружения биологической очистки армированным стальной проволокой загрузочным материалом. Первоначально были проведены исследования на пилотной установке стандартного аэротенка. Установка состояла из аэротенка и вторичного отстойника (рис. 1). Во время исследований проводилось сравнение показателей работы аэротенка с неар-мированным загрузочным материалом (контрольный аэротенк) и аэротенка с армированным загрузочным материалом (исследуемый аэротенк).

Сравнивая результаты исследований работы контрольного и исследуемого аэротенка, следует отметить значительное увеличение эффекта очистки по органическим загрязнениям (БПК). Математическое описание закономерности

ВЕСТНИК лтмл

4/2014

процессов очистки позволило получить коэффициент активации биологического процесса, который составил 1,78. Это свидетельствует о возможности использования данного метода для интенсификации работы сооружений биологической очистки при их реконструкции.

Рис. 1. Схема работы аэротенка с армированным загрузочным материалом: 1 — поступающая сточная вода; 2 — аэротенк; 3 — армированный загрузочный материал; 4 — иловая смесь; 5 — вторичный отстойник; 6 — очищенная сточная вода; 7 — рециркуляционный активный ил; 8 — избыточный активный ил; 9 — иловая камера; 10 — воздух

Однако ожидаемого эффекта очистки сточной воды по фосфатам достигнуто не было. Эффект очистки по фосфатам в исследуемом аэротенке по сравнению с контрольным был выше и варьировался в пределах 60...70 %, но этого недостаточно для удовлетворения норм по сбросу в водоемы рыбохозяйствен-ного значения. Поэтому нами были проведены исследования, направленные на увеличение эффективности очистки по фосфатам. Мы пришли к выводу, что если полностью убрать возвратный активный ил, при условии достаточного количества прикрепленной на армированном загрузочном материале биомассы, то получим оптимальную схему для глубокого удаления фосфатов с обеспечением необходимого эффекта очистки до требуемых нормативами [1].

Для изучения процессов, протекающих в толще биопленки и во взвешенном активном иле, были проведены микробиологические исследования биопленки и взвешенного активного ила контрольного и исследуемого аэротенков.

Биопленка и активный ил главным образом состоят из бактерий и простейших, в зависимости от условий среды в них могут присутствовать грибы, коловратки или черви. При этом главной составляющей активного ила и биопленки являются бактерии, осуществляющие основной процесс очистки. В образовании активного ила может участвовать очень большое число различных видов бактерий. Характер доминантного рода определяется природой органических соединений, входящих в состав сточной воды, условий окружающей среды (рН, температура, растворенный кислород и т.д.).

Важной группой микроорганизмов, входящих в состав активного ила являются простейшие, которые существенно не воздействуют на органические примеси воды, но играют роль хищников по отношению к бактериям. Простейшие обладают такими качествами, как особая чувствительность к изменениям в окружающей среде, поэтому присутствие того или иного вида может дать информацию о качестве работы очистных сооружений, эффективности окис-

ления, присутствии токсичных веществ и т.д. В связи с этим, особое внимание было уделено проведению исследования активного ила и биопленки в световом микроскопе.

Исследования показали, что процессы удаления фосфатов, протекающие в толще биопленки и во взвешенном иле, различны. В толще биопленки за счет жизнедеятельности микроорганизмов рН среды кислая (предположительно 4...5), что создает благоприятные условия для коррозии. Выделяющиеся при этом ионы железа способствуют активному росту численности бактерий и формируют специфический биоценоз, играющий существенную роль в процессе удаления фосфатов.

Исследования живой культуры активного ила и биопленки в световом микроскопе показали, что армированный загрузочный материал активизирует жизнедеятельность микронаселения активного ила и биопленки, а также разнообразит их видовой состав. Полученные результаты свидетельствуют о существенном различии состава и активности микронаселения активного ила и биопленки исследуемого и контрольного аэротенка. В исследуемом аэротенке отмечалось значительное увеличение количества и разнообразия простейших в активном иле (таблица).

Состав прикрепленной микрофлоры и свободноплавающего активного ила исследуемого аэротенка с армированным загрузочным материалом и контрольного с неармированным загрузочным материалом

Название микроорганизма Исследуемый аэротенк Контрольный аэротенк

Chlorella sp. Очень большое количество Не обнаружены

Opercularia glomerata Активна Не обнаружены

Opercularia coartata Активна Не обнаружены

Aspidisca costata Очень активна Активна

Aspidisca tuvrida Активна Не обнаружены

Vorticella sp. Не активна Активна

Epistylis plicatilis Активна Не обнаружены

Rhabdomonas incurva fresenius Неподвижна Не обнаружены

Tokophrya mollis Активна Не обнаружены

Aelosoma hemprichi Ehrenberg Очень активна Не обнаружены

Коловратка Philodina roseola Очень активна Активна

Коловратка Callidina vorax Активна Не активна

Коловратка Cathypha luna Активна Не обнаружены

Коловратка Notommata ansata Активна Не активна

В контрольном аэротенке с неармированным загрузочным материалом наблюдались единичные особи коловраток Philodina roseola, а также Vorticella sp. и Aspidisca costata.

В исследуемом аэротенке с армированным загрузочным материалом ил густонаселен различными видами простейших — коловраток, Opercularia sp., Aspidisca sp. и т.д., особое внимание уделилось большому количеству микроводоросли Chlorella sp. Обнаружено ингибирующее действие на развитие Vorticella sp. Следует отметить, что все микроорганизмы, кроме Vorticella sp., находились в активном состоянии. Большое количество и разнообразие коловраток в иловой смеси свидетельствует об устойчивости к изменениям нагрузок по загрязнениям и стабильности биологической системы. Присутствие в активном иле Aelosoma Ehrenberg, Tokophrya mollis, Rhabdomonas incurva свидетельствует о высоком качестве и об эффективности очистки сточных вод.

Проведенные исследования показали, что стальная проволока, содержащаяся в загрузочном материале, приводит к интенсивному развитию Chlorella sp. (рис. 2). Из литературных источников известно, что для выращивания и поддержания жизнедеятельности хлореллы необходимо железо, так для выращивания хлорелл обычно применяются концентрации железа 0,2...0,8 мг/л [2]. Наряду с железом, хлорелле необходим фосфор. Нормальное обеспечение хлореллы фосфором достигается при содержании его в среде 10...100 мг/л. Отечественными учеными выявлена зависимость между количественным содержанием фосфора в среде и увеличением численности клеток хлореллы [3].

Рис. 2. Хлорококковые микроводоросли Chlorella sp. обнаруженные в большом количестве в биопленке на армированном загрузочном материале: а — световая микроскопия; б — сканирующая электронная микроскопия

Хлореллы широко распространены, предпочитают загрязненные водоемы и интенсифицируют очистку сточных вод. Культивирование зеленых водорослей на хозяйственно-бытовых сточных водах усиливает процессы их очистки, что сопровождается снижением минеральных форм азота на 80...90 % и фосфора на 50...90 % [4]. А также способствует исчезновению характерного запаха и отмиранию животных, представителей полисапробной зоны, таких как Nematodes, Paramecium, Vorticella, интенсифицируя процесс очистки сточных вод путем обогащения биомассы активного ила кислородом. В лабораторных условиях доказана возможность использования Chlorella для интенсификации процессов биологической очистки концентрированной сточной жидкости [5].

Проведенные нами исследования подтвердили, что хлорелла размножается в среде, богатой железом, активно поглощает фосфор из среды и интенсивно выделяет кислород, снабжая им бактериальную биомассу. Этот факт объясняет повышенное удаление органических загрязнений, а так же влияние армированного загрузочного материала на вторую ступень нитрификации, так как хлорелла значительно укорачивает анаэробный период в толще биопленки.

Опираясь на микробиологические исследования, можно сделать вывод, что армированный загрузочный материал благотворно влияет на активный ил и биопленку и объясняет интенсифицирующее действие на процессы удаления фосфатов и органических загрязнений из сточной воды. Данный метод очистки можно рекомендовать использовать не только для увеличения эффекта удаления фосфатов, но и для интенсификации биологической очистки сточных вод в целом.

Библиографический список

1. Ружицкая О.А., Саломеев В.П., Гогина Е.С. Использование армированного загрузочного материала для интенсификации процессов очистки сточных вод от фосфатов и органических загрязнений // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 6. С. 43—47.

2. Gogina E.S., Makisha Nikolay. Reconstruction of waste water treatment plants in Russia, approaches and solutions // Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 361—363. Рр. 628—631.

3. Андреева В.М. Род Chlorella. М. : Наука, 1975.

4. Леонова Л.И., Ступина В.В. Водоросли в доочистке сточных вод. Киев : На-укова думка, 1990.

5. Chong F.M.Y., Wong Y.S., Tam N.F.Y. Performance of different microalgal species in removing nickel and zinc from industrial wastewater // Chemosphere. 2000. No. 1. Pp. 251—257.

6. Fytianos K., Voudrias E., Raikos N. Modelling of phosphorus removal from aqueous and wastewater samples using ferric iron // Environmental Pollution. 1998. Vol. 101. No. 1. Pp. 123—130.

7. A review and update of the microbiology of enhanced biological phosphorus removal in wastewater treatment plants / L.L. Blackall, G.R. Cricetti, A.M. Saunders, Ph.L. Bond // Antonie van Leeuwenhoek. 2002. Vol. 81. No. 1—4. Pp. 681—691.

8. Removal of ammonium and phosphorus ions from synthetic wastewater by the microalgae chlorella vulgaris coimmobilized in alginate beads with the microalgae growth-promoting bacterium azospirillum brasilense / L.E. De-Bashan, M. Moreno, J.P. Hernandez, Y. Bashan // Water Research. 2002. Vol. 36. No. 12. Pp. 2941—2948.

9. Microalgae growth-promoting bacteria as «helpers» for microalgae: a novel approach for removing ammonium and phosphorus from municipal wastewater / L.E. De-Bashan, J.P. Hernandez, T. Morey, Y. Bashan // Water Research. 2004. Vol. 38. No. 2. Pp. 466—474.

10. Sriwiriyarat T., Randall C.W. Pert'omaree of ifas wastewater treatment processes for biological phosphorus removal // Water Research. 2005. Vol. 39. No. 16. Pp. 3873—3884.

11. Cultured phototrophic biofilms for phosphorus removal in wastewater treatment / A. Guzzon, A. Bohn, M. Diociaiuti, P. Albertano // Water Research. 2008. Vol. 42. No. 16. Pp. 4357—4367.

12. Moelants N., Smets I.Y., Van Impe J.F. The potential of an iron rich substrate for phosphorus removal in decentralized wastewater treatment systems // Separation and Purification Technology. 2011. Vol. 77. No. 1. Pp. 40—45.

ВЕСТНИК лтмл

4/2014

13. Nitrogen and phosphorus removal from municipal wastewater effluent using microalgal biofilms / N.C. Boelee, H. Temmink, M. Janssen, C.J.N. Buisman, R.H. Wijffels // Water Research. 2011. Vol. 45. No. 18. Pp. 5925—5933.

14. Factors affecting the microbial populations at full-scale enhanced biological phosphorus removal (EBPR) wastewater treatment plants in the Netherlands / C.M. Lopez-Vazcues, C.M. Hooijmans, D. Brdjanovic, H.J. Gijzen, M.C.M. van Loosdrecht // Water Research. 2008. Vol. 42. No. 10-11. Pp. 2349—2360.

15. Krzemieniewski M., Debowski M., Janczukowicz W. The influence of different intensity electromagnetic fields on phosphorus and cod removal from domestic wastewater in steel packing systems // Polish Journal of Environmental Studies. 2004. Vol. 13. No. 4. Pp. 381—387.

Поступила в редакцию в январе 2014 г.

Об авторе: Ружицкая Ольга Андреевна — кандидат технических наук, доцент кафедры водоотведения и водной экологии, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)183-27-65, Ruzhitskayaoa@mgsu.ru.

Для цитирования: Ружицкая О.А. Микробиологическая специфика системы удаления фосфатов с помощью армированного загрузочного материала // Вестник МГСУ 2014. № 4. С. 135—141.

O.A. Ruzhitskaya

MICROBIOLOGICAL SPECIFICS OF THE PHOSPHATE REMOVAL SYSTEMS WITH THE HELP OF REINFORCED MATERIALS

The author presents the results of microbiological studies aimed at investigating the deep removal of phosphates from household wastewater. A method for deep cleaning of waste water using reinforced materials is provided. The living culture study in activated sludge and biofilm in the light microscope showed activating effect of the reinforced loading material on the life of microflora in activated sludge and biofilm. A steel wire in the the feed material has a significant impact on the number and variety of species of protozoa in the activated sludge, and also leads to rapid development of Chlorella sp.

The study of the living culture of activated sludge and biofilm in the light microscope showed that the reinforced material activates the vital functions of the activated sludge microflora and biofilms, as well as the diversity of their species composition.

The studies have confirmed that chlorella multiplies in an environment rich with iron, absorbs phosphorus from the environment and actively produces oxygen, providing bacterial biomass with it. This fact explains the increase in the removal of organic contaminants, as well as the influence of the reinforced material on the second step of nitrification.

Key words: deep cleaning of waste water, phosphate removal, reinforced feed, activated sludge, biofilm, biocenosis, Chlorella sp., wastewater, biological treatment, aerotank.

References

1. Ruzhitskaya O.A., Salomeev V.P., Gogina E.S. Ispol'zovanie armirovannogo zagru-zochnogo materiala dlya intensifikatsii protsessov ochistki stochnykh vod ot fosfatov i or-ganicheskikh zagryazneniy [Using Reinforced Feed for Intensification of Wastewater Treatment from Phosphates and Organic Contaminants]. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Water Supply and Sanitary Engineering]. 2013. no. 6, pp. 43—47.

2. Gogina E.S., Makisha Nikolay. Reconstruction of Waste Water Treatment Plants in Russia, Approaches and Solutions. Applied Mechanics and Materials. 2013, vol. 361—363, pр. 628—631.

3. Andreeva V.M. Rod Chlorella [Genus Chlorella]. Moscow, Nauka Publ., 1975.

4. Leonova L.I., Stupina V.V. Vodorosli v doochistke stochnykh vod [Algae in the Advanced Treatment of Wastewater]. Kiev, Naukova Dumka Publ., 1990.

5. Chong F.M.Y., Wong Y.S., Tam N.F.Y. Performance of Different Microalgal Species in Removing Nickel and Zinc from Industrial Wastewater. Chemosphere. 2000, no. 1, pp. 251—257.

6. Fytianos K., Voudrias E., Raikos N. Modelling of Phosphorus Removal from Aqueous and Wastewater Samples Using Ferric Iron. Environmental Pollution. 1998, vol. 101, no. 1, pp. 123—130.

7. Blackall L.L., Cricetti G.R., Saunders A.M., Bond Ph. L. A Review and Update of the Microbiology of Enhanced Biological Phosphorus Removal in Wastewater Treatment Plants. Antonie van Leeuwenhoek. 2002, vol. 81, no. 1—4, pp. 681—691. DOI: 10.1023/A:1020538429009.

8. De-Bashan L.E., Moreno M., Hernandez J.P., Bashan Y. Removal of Ammonium and Phosphorus Ions from Synthetic Wastewater by the Microalgae Chlorella Vulgaris Coimmobi-lized in Alginate Beads with the Microalgae Growth-promoting Bacterium Azospirillum Brasilense. Water Research. 2002, vol. 36, no. 12, pp. 2941—2948.

9. De-Bashan L.E., Hernandez J.P., Morey T., Bashan Y. Microalgae Growth-promoting Bacteria as «Helpers» for Microalgae: a Novel Approach for Removing Ammonium and Phosphorus from Municipal Wastewater. Water Research. 2004, vol. 38, no. 2, pp. 466—474.

10. Sriwiriyarat T., Randall C. W. Performance of IFAS Wastewater Treatment Processes for Biological Phosphorus Removal. Water Research. 2005, vol. 39, no. 16, pp. 3873—3884.

11. Guzzon A., Bohn A., Diociaiuti M., Albertano P. Cultured Phototrophic Biofilms for Phosphorus Removal in Wastewater Treatment. Water Research. 2008, vol. 42, no. 16, pp. 4357—4367.

12. Moelants N., Smets I.Y., Van Impe J.F. The Potential of an Iron Rich Substrate for Phosphorus Removal in Decentralized Wastewater Treatment Systems. Separation and Purification Technology. 2011, vol. 77, no. 1, pp. 40—45. DOI: 10.1016/j.seppur.2010.11.017.

13. Boelee N.C., Temmink H., Janssen M., Buisman C.J.N., Wijffels R.H. Nitrogen and Phosphorus Removal from Municipal Wastewater Effluent Using Microalgal Biofilms. Water Research. 2011, vol. 45, no. 18, pp. 5925—5933. DOI: 10.1016/j.watres.2011.08.044.

14. Lopez-Vazcues C.M., Hooijmans C.M., Brdjanovic D., Gijzen H.J., van Loosdrecht M.C.M. Factors Affecting the Microbial Populations at Full-scale Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR) Wastewater Treatment Plants in the Netherlands. Water Research. 2008, vol. 42, no. 10—11, pp. 2349—2360.

15. Krzemieniewski M., Debowski M., Janczukowicz W. The Influence of Different Intensity Electromagnetic Fields on Phosphorus and Cod Removal from Domestic Wastewater in Steel Packing Systems. Polish Journal of Environmental Studies. 2004, vol. 13, no. 4, pp. 381—387.

About the authors: Ruzhitskaya Ol'ga Andreevna — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, department of Wastewater Disposal and Aquatic Ecology, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, 129337, Moscow, Russian Federation; ruzhitskayaoa@mgsu.ru; +7 (499) 1832765.

For citation: Ruzhitskaya O.A. Mikrobiologicheskaya spetsifika sistemy udaleniya fosfa-tov s pomoshch'yu armirovannogo zagruzochnogo materiala [Microbiological Specifics of the Phosphate Removal Systems with the Help of Reinforced Materials]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 4, pp. 135—141.