Содержание к диссертации
Введение
1. Системы биологической очистки сточных вод 8
1.1. Системы аэробной биологической очистки сточных вод 8
1.2 Изменчивость сообщества активного ила в процессе эксплуатации очистных сооружений и пути повышения устойчивости АИ 18
1.3 Сообщества активного ила и управление ими 30
1.3.1 Гранулы аэробного активного ила 31
1.3.2 Биоценоз активного ила 32
1.3.3 Действие стрессоров на аэробный активный ил 36
1.3.4 Механизмы образования гранул 41
1.3.5 Стабилизация гранул аэробного активного ила 41
1.4 Мембранный биореактор как современное развитие системы биологической очистки сточных вод 42
1.4.1 Принцип действия. Конструкции МБР 47
1.4.2 Особенности биологической очистки в МБР 53
1.4.3 Проблемы МБР 56
1.4.4 Совмещение реакторов отъемно-доливного типа с мембранными реакторами 60
2. Материалы и методы 63
3. Результаты и обсуждение 81
3.1 Опыты с инкапсулированными клетками дрожжей, как модели клеточных агрегатов 81
3.2 Опыты с биоценозами активного ила 88
3.2.1 Исследование формирования гранул аэробного активного ила в условиях пероксидного стресса 88
3.2.2 Исследование микробиологического профиля высеваемых микроорганизмов в процессе образования ГААИ, а также изучение их взаимодействия 99
3.2.3 Формирование искусственной гранулы аэробного активного ила 118
3.3 Опыты в мембранном биореакторе 132
Список использованной литературы 144
Список сокращений 169
- Гранулы аэробного активного ила
- Мембранный биореактор как современное развитие системы биологической очистки сточных вод
- Опыты с биоценозами активного ила
- Исследование микробиологического профиля высеваемых микроорганизмов в процессе образования ГААИ, а также изучение их взаимодействия
Введение к работе
Актуальность работы.
Одной из актуальных проблем обеспечения экологической безопасности антропогенного воздействия на окружающую среду и сохранения качества среды обитания сельскохозяйственных животных и человека является разработка эффективных способов очистки сточных вод.
Биологическая очистка сточных вод в настоящее время является, практически, единственной универсальной и относительно малозатратной технологией обезвреживания загрязненных вод.
Несмотря на многолетний опыт практического использования систем биологической очистки сточных вод, повышение эффективности технологии очистки загрязненных вод является в настоящее время областью широких исследований. Среди приоритетных проблем технологии очистки сточных вод – высокая энергоемкость процессов, необходимость утилизации больших масс избыточного активного ила, трудно решаемые проблемы удаления биогенных элементов из стоков, высокая чувствительность процесса к неблагоприятным внешним факторам.
В РФ проблема усугубляется также старением парка сооружений биологической очистки. Так, по статистическим данным [Романенко В.А., 2013] более половины очистных сооружений имеют возраст более 20 лет и требуют модернизации.
Одним из перспективных направлений повышения эффективности биологической очистки сточных вод наряду с разработкой новых конструктивных решений оборудования, внедрения новых технологических процессов (анаэробно-аэробных, каскадных, с рециркуляцией потоков, с иммобилизованным активным илом и др.) является разработка способов управления функциональным потенциалом активного ила (АИ), поддержания его высокой окислительной способности, уменьшения вспухаемости и пенообразования, улучшения седиментационных свойств во вторичном отстойнике, или увеличения адгезионной способности ила на поверхности загрузки, снижения опасности ее быстрого заиления и засорения [Psoch, 2005, Feng, 2006, Шагинурова, 2003]. Управление функциональными свойствами активного ила может приводить к образованию гранул активного ила, использование которых является одним из способов повышения эффективности систем очистки сточных вод.
В ранее выполненных на кафедре биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева работах [Сафронов, 2004] было показано, что воздействие фактора оксидативного
стресса, в частности пероксида водорода, на биоценоз активного ила в определенных условиях позволяет интенсифицировать очистку токсичных сточных вод. Эффективность использования H2O2 может быть повышена при совместном действии стрессора и освещения. Последний выступает как антистрессор – фактор, нивелирующий негативное стрессовое воздействие, вероятнее всего обусловленное функционированием фоторепарации. Комбинация воздействия факторов оксидативного стресса и антистрессоров получила название «контролируемого оксидативного стресса» [Kuznetsov etal., 2006]. Результаты данных исследований указывают на возможность эффективного воздействия комбинации отмеченных факторов на процессы гранулообразования активного ила и повышения его стабильности [DeKreukM.K. 2006, WattsS. etal., 2012,Bing-JieNi 2013].
Работа выполнялась в рамках соглашения о предоставлении субсидий № 14.577.21.0037 по проекту, финансово поддержанному государством в лице Минобрнауки России, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57714X0037.
Цель и задачи исследований
Целью настоящей работы явилась разработка технологии управления микробным сообществом АИ при неблагоприятных внешних условиях, в частности при воздействии H2O2 и видимого света, как стрессора и антистрессора.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
Определить стабильность модельной системы иммобилизованных микроорганизмов в полисахаридном матриксе при их длительном непрерывном культивировании при воздействии H2O2;
-
Изучить воздействие стрессора, H2O2, как управляющего фактора на микробный профиль аэробного активного ила;
-
Изучить воздействие стрессора и антистрессора на образование агломератов и гранул активного ила;
-
Выявить микроорганизмы, определяющие образование и стабильность функционирования гранул аэробного активного ила при воздействии стрессора, а также изучить фенотипические изменения микробных компонентов сообщества активного ила;
-
Определить возможность и условия формирования искусственных гранул аэробного активного ила;
-
Создать автоматизированный комплекс на основе мембранного биореактора (МБР) для очистки сточных вод в лабораторных условиях.
7. Апробировать предложенную технологию для управления агрегатным состоянием АИ для нивелирования проблемы кольматации мембран активным илом и поддержания стабильности работы МБР.
Научная новизна. Определены параметры и режимы, воздействия H2O2 на АИ, обеспечивающие повышение эффективности процесса очистки хозяйственно бытовых стоков.
Определены условия формирования гранул аэробного активного ила (ГААИ).
На основании исследований микробного профиля, как микробиологическими, так и молекулярно-генетическими методами было определено, что гранулы аэробного активного ила формируются при наличии структурообразующих микроорганизмов или точек их иммобилизации, а также при воздействии стресса.
Установлены структурообразующие элементы гранул аэробного активного ила, полученного при воздействии контролируемого оксидативного стресса: Fusarium oxysporum, Fusarium nivale, Penecillium glabrum, Trichosporon cutaneum, Agrobacterium tumefaciens.
Разработан метод получения стабильной искусственной гранулы по результатам определения наиболее целесообразной последовательности введения выделенных структурообразующих элементов (изолятов культур) в микробный консорциум гранулы и изучения взаимоотношений выделенных изолятов в процессе образования гранул аэробного активного ила.
Создан автоматизированный лабораторный комплекс с мембранным биореактором с керамическим погружным мембранным модулем (отечественного производства) и оригинальным способом подачи H2O2 для очистки сточных вод показана возможность поддержания окислительной мощности установки до уровня 120 мг/(лч).
Практическая значимость
Разработаны режимы биологической очистки с внесением H2O2 для интенсификации биологической очистки сточных вод в различных условиях.
Определены параметры получения гранул аэробного активного ила (ГААИ) и режимы стабилизации активного ила с использованием контролируемого оксидативного воздействия, апробированные на разработанных лабораторных и пилотных установках.
Создан автоматизированный комплекс на основе мембранного биореактора, который может быть использован в научно-прикладных целях для дальнейшего
масштабирования процессов биологической очистки по предложенному методу и в учебных целях для проведения студенческих исследовательских и лабораторных работ на кафедре биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Разработан новый способ поддержания рабочей проницаемости мембран в МБР.
Апробация работы. Основные материалы и результаты работы изложены на Международной конференции молодых учёных «Успехи в химии и химической технологии» (Москва, 2010), VI и VII Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2011,2013), Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологии» (Тула, 2012), III Международной конференции «Экологическая безопасность в газовой промышленности» (Москва, 2013), III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы освоения месторождений углеводородов» (Москва, 2014)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах рекомендуемых ВАК, 7 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы, включающего 216 источников. Работа изложена на 175 стр. машинописного текста, иллюстрирована 79 рисунками, 17 таблицами. В приложении представлены протоколы и акты внедрений.
Гранулы аэробного активного ила
Схожие исследования проводились Jason J. Flowers с соавт. Изучалось динамическое равновесие в микробном профиле биоценоза АИ, работающего в процессе очистки сточных вод, разработанного Кейптаунским университетом для биологического удаления фосфора и азота в промышленном реакторе. В исследовании использовали количественный ПЦР для фиксирования изменений в пяти филогенетически различимых группах в Accumulibacter, которые представляют собой модель фосфор аккумулирующего сообщества. Сезонные закономерности изменения микробного профиля напоминали те, что наблюдаются в открытых водоёмах. Все пять групп Accumulibacter присутствовали на протяжении всего исследования, а в целом сообщество Accumulibacter было относительно стабильно [75].
Эволюционную изменчивость микробного профиля во время грануляции АИ изучал Zhang Bin с соавт. Результаты экспериментов показали, что в этом процессе с анаэробно/аэробным циклом фосфор успешно удалялся. Палочковидные и нитевидные бактерии сначала создают структуры, которые формируют гранулы и поддерживают в дальнейшем их развитие и существование. Зрелые гранулы содержали микробные популяции, которые отличались от популяции зарождающихся гранул и преимущественно были заселены кокковидными бактериями. Разнообразие гранулированного микробного сообщества увеличивалось по мере роста гранул. При этом было установлено наличие Accumulibacter, Nitrosospira, Thauera, в основном отвечавших за удаление биогенных веществ, в то время как Rhodocyclus и Hyphomicrobiaceae отвечали за формирование и поддержание структуры гранул [41].
В Бразилии был построен один из самых больших промышленных реакторов для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод в отъемно-доливном режиме[72]. Его рабочий объем составляет 155 м3 при общем объеме 247м3. В ходе исследования, проведенного Helosa Fernandes с соавторами, была доказана устойчивость работы такого реактора, при этом средняя концентрация биомассы составила около 8 г/л. В процессе эксплуатации в течение 150 дней отслеживался микробный профиль методами DGGE и FISH. Микробное сообщество менялось лишь в результате изменений в поступающем потоке. Отмечалась очень высокая активность фосфораккумулирующих микроорганизмов.
Применение современных генетических методов анализа биоценоза не исключает классических микробиологических приемов для изучения АИ. Иногда использование таких приемов даёт результаты, которые хорошо согласуются с данными, полученными DGGE. [137].
Многие из существующих проблем могут быть решены, если использовать ГААИ. Гранулы аэробного активного ила – это микробные системы, представляющие собой плотные образования малого диаметра, которые формируются при определенном состоянии биоценоза и особых условиях окружающей среды. АИ в форме гранул лучше осаждается в реакторе биологической очистки, не вспухает и поэтому лучше удерживается в очистных сооружениях, что ведёт к повышению концентрации биомассы в зоне очистки и повышению мощности очистных сооружений
Такая форма АИ редко вспухает, легко осаждается, более устойчива к стрессовым воздействиям и обеспечивает повышенную концентрацию микроорганизмов в зоне биоокисления [25, 8]. Основными реакторами для получения ГААИ остаются реакторы SB- типа [52, 202, 124]. Однако такие реакторы должны иметь усреднитель, а для непрерывной работы их необходимо несколько, поэтому площадь, занимаемая очистными сооружениями, сопоставима с традиционными очистными сооружениями. Концентрация активного ила в SB реакторах выше, чем в аэротенках. Однако активный ил, работающий в таком типе реакторов, может самопроизвольно вспухать из-за поступающего несбалансированного стока. По данным [86, 0, 167] при недостаточном количестве азота или его остром дефиците в поступающих сточных водах в SB реактор индекс ила остается ниже 150 мл/г, а при недостатке фосфора происходит вспухание и вынос подавляющего количества активного ила. Для стабилизации сообщества активного ила ключевыми факторами является комбинация кинетического отбора, микробного состава АИ, а также состав экзополисахаридов [0, 171, 170]. Менее подвержен внешним неблагоприятным факторам МБР (мембранной биореактор). Применение ГААИ в МБР, на наш взгляд, позволило бы сочетать преимущества обеих систем в едином процессе при повышении его устойчивости и обеспечении выходных параметров очистки, необходимого разнообразия сообщества за счет удержания микрофлоры в объеме реактора, а также накопления существенного количества медленно растущих видов микроорганизмов, в частности нитрификаторов.
С обнаружением способности аэробного активного ила к гранулобразованию начали проводиться исследования по изучению состава такого ила: его микробиологического профиля, его способности утилизировать различные загрязнения и устойчивость к токсикантам. ГААИ можно адаптировать к различным сточным водам [209, 0] и различным органическим загрязнениям [0, 0].
Гранулы аэробного активного ила эффективнее очищают сточные воды и более устойчивы к воздействию токсических веществ по сравнению с хлопьями активного ила [104]. Активный ил очищает стоки от фосфора и аммонийного азота в процессе нитрификации, но только когда сформированы аэробные гранулы, можно добиться полной денитрификации [0]. До сих пор неизвестна роль различных микроорганизмов, условия и механизм формирования гранул [25]. Кроме этого, нет данных об оптимальном радиусе гранул, при котором кислород и питательные вещества могли бы проникать внутрь гранул, а продукты метаболизма выводились бы наружу. При изменении состава стоков и источника углерода гранулы могут становиться неустойчивыми и даже вспухать [195], что приводит к ухудшению показателей очистки. Стабильность гранул во многом зависит от микробиологического состава и соотношения микроорганизмов в активном иле, характера стока, а также гидродинамического режима, при котором ГААИ функционирует[25, 0]. Отношения между микроорганизмами важны для формирования гранул, их структуры, морфологии и стабильности. Ограничение массопереноса субстратов и кислорода в гранулы может повлиять на их структуру, например, когда субстрат слишком медленно проникает в центр аэробной гранулы. В таком случае в центре могут потребляться внеклеточные полимерные вещества или биомасса будет лизировать. В итоге это может привести к пористой и рыхлой структуре аэробных гранул, в результате формируется пустая полость внутри гранул, что приводит к их распаду при очистке сточных вод. Используя трехмерную модель, Писиоронисоавт. (1998) [0] показал, что при низкой скорости массообмена получаются пористые, грибообразные и неплотные агломераты, в то время как при высокой скорости массообмена агломераты становятся компактными и гладкими. Поскольку радиус гранул обычно больше, чем у агломератов, эффект массообменных ограничений значительно отражается на структуре гранул, их размере и стабильности. Тем не менее, в настоящий момент невозможно предположить “оптимальный радиус” для аэробных гранул. Пока что известно, что отбор медленно растущих бактерий или увеличение касательной скорости жидкости вблизи поверхности гранул может способствовать формированию небольших и компактных аэробных гранул с высокой стабильностью [0].
Мембранный биореактор как современное развитие системы биологической очистки сточных вод
В экспериментах с АИ использовали образцы, полученные смешением ила, отобранного из городской канализационной системы, эвтрофицированного и неэвтрофицированного прудов, речного ила, активного ила аэротенка городских очистных сооружений; активность ила постоянно поддерживалась путем пересевов на модельный сток и аэрирования ила со стоком в колбах на качалке.
Формирование гранул аэробного ила изучалось в периодических условиях с циклическим режимом очистки – подобно тому, как это осуществляется в SB-реакторах. Следует отметить, что активный ил является ассоциативной устойчивой культурой, поэтому при пересеве АИ как в колбах, так и в реакторе стерильные условия не соблюдались.
Аэробный ил культивировали при аэрации на шейкере при 180–200 об./мин в конических колбах объемом 250 мл, при рабочем объеме иловой взвеси 100 мл, при температуре 20–25 оС, рН 6,8–8,5. Объем исходного посевного материала, представляющего отстоявшийся осадок хлопьев ила, составлял 30 мл. Для поддержания активности ила пересевы проводились, как правило, 1 раз в 4–7 сут. В ходе пересева содержащую ил среду переносили в мерный цилиндр, отстаивали в течение 5–10 мин., затем сливали 60–70 мл надосадочной жидкости. Осевший ил заливали новой порцией сточной воды до объема 100 мл, переносили обратно в коническую колбу и ставили на шейкер.
При изучении влияния условий очистки на формирование и стабильность гранул и качество очистки, в том числе проверялась возможность повышения степени очистки и стабильности гранул при внесении пероксида водорода в сточную воду в ходе очистки. Для изучения влияния H2O2 (агента стресса) на очистку и гранулообразование путем последовательных пересевов (пассирования) вели контрольные линии активного ила – без добавления H2O2, и с добавлением H2O2. В последнем случае через определенное количество пересевов получали активный ил, более устойчивый к внесению пероксида по сравнению с контрольным, непассированным илом. Пероксид водорода вносили в среду по ходу процесса в дозах 100–200 мг/л в виде 10% H2O2. Каждая линия поддерживалась в нескольких повторностях. В опытах изменялись следующие параметры: температура, аэрация, объем среды и колб, наличие и отсутствие освещения. Состав и количество компонентов сточных вод варьировали в зависимости от целей эксперимента.
Исследовалось образование ГААИ и его устойчивость в процессе пересевов на модельном стоке, сравнивались гранулы в условиях воздействия пероксида водорода и контрольные линии без внесения стрессора.
Состав и подготовка среды. Использовались следующие модельные стоки: 1) модельный сток пивоварения (сток№1), приготовленный разбавлением пива «Балтика 0», ХПК1000мг/л; 2)модельный хозяйственно-бытовой сток (сток№2), полученный смешением отвара водных вытяжек из отмеренных количеств продуктов питания с ХПК 400± 50 мгО2/л,PO43—5±1мг/л,Nобщ. 25±3мг/л. Опыты с активным илом. В опытах с пиковой нагрузкой по загрязнениям ХПК стока в несколько раз превосходил ХПК стандартного модельного стока. Наличие и состояние аэробного гранулированного активного ила (ГААИ) оценивали визуально и световой микроскопией. В качестве характеристики гранул использовался диаметр гранул и их цвет. В процессе культивирования определяли рН, концентрацию активного ила, содержание ХПК бихроматным методом, содержание ионов NH4+, NO3-, NO2-,PO43-(методики приведены далее). Исследовался микробиологический профиль биоценоза путем высевов на твердые агаризованные среды.
Конструкция лабораторной установки и мембранного реактора (рис. 2.2) была разработана и изготовлена в ходе совместной работы с НПФ «ТЭКО», и сам реактор был изготовлен в НПФ «ТЭКО»; контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации изготовлены и смонтированы своими силами.
К штуцеру для подачи исходной среды крепится трубка, которая доходит до днища, а к штуцеру для отвода избыточной жидкости и воздуха крепится трубка, доходящая до верхней плиты мембранного модуля. На крышке биореактора имеются петли для демонтажа корпуса и чистки модуля.
К нижней стороне крышки биореактора крепятся фиксирующие элементы для предотвращения поломки мембран при установке модуля в биореакторе.
Днище биореактора изготовлено из стали. В центре днища имеется отверстие для крепления штуцера подвода воздуха.
В специальной выемке с внутренней стороны днища укладывается перфорированная мембрана изготовленная из полимерного материала с лазерной перфорацией для равномерной подачи воздуха в корпус. Воздух подается под мембрану. Благодаря перфорации при аэрации создаются мелкие пузырьки воздуха одинакового размера с высокой удельной поверхностью. Мембрана крепится к днищу винтами через уплотнительное кольцо из нержавеющей стали.
Этими же винтами на днище крепится защитный кожух из нержавеющей стали с окнами внизу для рециркуляции жидкости. Кожух служит для организации потока воздуха через мембранный модуль циркуляции жидкости в корпусе по принципу эрлифта. Благодаря подаче воздуха в реакторе создается циркуляционный поток жидкости, обтекающий внешнюю поверхность мембран, что должно приводить к уменьшению степени загрязнения мембран и повышению их проницаемости.
Опыты с биоценозами активного ила
Стабильность гранул, полученных чередованием большой нагрузки по ХПК и голоданием из линий С3-С5 с последующим внесением H2O2 в стандартном циклическом режиме очистки (97 часов), была выше, чем у гранул, полученных без внесения агента стресса. При внесении подобранных оптимальных доз пероксида водорода в очищаемую среду гранулы становились механически прочными и более устойчивыми к внесению повышенных доз H2O2.
В гранулах, полученных в условиях пассивирования на фоне внесения пероксида водорода, начинают преобладать актиномицеты и грибные культуры, что согласуется с теориями гранулообразования Мишима и Бьюна [147, 40], а также активизируется выработка экзополисахаридов [25].
В сравнении с флокулами активного ила гранулы, адаптированные к пероксиду водорода, выдерживают в 4–5 раз большую концентрацию H2O2, а по сравнению с гранулами, полученными отъемно-доливным режимом при пиковой нагрузке и последующем голоде, – в 2–3 раза большую концентрацию H2O2, что может являться показателем устойчивости к неблагоприятным факторам среды. Голодание и оксидативный стресс, как показал морфологический анализ колоний после высева компонентов полученных гранул на твердые питательные среды, способствуют выработке внеклеточных полимеров (подтверждено окрашиванием), что влияет на стабильность и консистенцию гранул.
Рисунок 3.20 –Изменение ХПК и содержание фосфатов при очистке модельного бытового стока адаптированным к пероксиду водорода гранулированным активным илом.
Показатели очистки с помощью гранулированного ила, адаптированного к H2O2, и его осаждаемость выше, чем при использовании гранулированного ила без внесения H2O2 (помимо гранул в последнем случае наблюдаются в небольшом количестве флокулы), и на порядок выше, чем у флокул или хлопьев, при сравнении линий хлопьеобразного ила без адаптации и гранулированного ила, адаптированного к H2O2(обе линии на свету). В линии с гранулами через 3 суток ХПКвых. аналитически не обнаруживалось (рис. 3.20), тогда как в вариантах обычных хлопьев ХПКвых. составляло около 100 мг/л.
В процессе образования ГААИ контролировался микробный профиль АИ. Задачей исследований являлось нахождение структурообразующих элементов ГААИ, которые будут преобладать в микробном профиле при длительной адаптации к стрессору. После выявления и идентификации таких элементов было бы интересно попробовать создать из них искусственную гранулу АИ, которая своей устойчивостью и эффективностью доказала бы правильность выбора структурных элементов. В этой части не ставилась задача доскональной идентификации изолятов микроорганизмов, необходимо было апробировать саму возможность направленного формирования таких гранул. Здесь и далее предложено считать изолятами популяцию (отдельную колонию на агаризованной среде) или группу популяций микроорганизмов, пространственно изолированную от других популяций (колоний) и морфологически не похожую на другие популяции.
Исследования были условно разделены на несколько этапов. Для удобства изложения основные этапы приведены на рис. 3.21. На первом этапе (рис. 3.21)изучался микробный состав хлопьев активного ила путем рассевов его из разных разведений на агаризованную универсальную среду, после чего изучалось взаимодействие между отобранными изолятами.
На втором этапе (рис. 3.21) исследовался микробный состав агломератов активного ила и его изменения в процессе адаптации к H2O2 путем рассевов активного ила из разных разведений на агаризованную универсальную среду, после чего изучалось взаимодействие между отобранными изолятами.
На третьем этапе (рис. 3.21) исследовался микробный состав гранул аэробного активного ила и его изменения после пиковой нагрузки по ХПК в процессе адаптации к H2O2 путем рассевов активного ила из разных разведений на различные агаризованные среды, после чего изучалось взаимодействие между отобранными изолятами.
Общая схема экспериментов с аэробным активным илом для исследования микробиологического состава и взаимоотношений высеваемых микроорганизмов внутри него в процессе получения ГААИ.
На первом этапе исследований одновременно с началом адаптации к загрязнениям сточной воды анализировали микробный профиль АИ.С этой целью гомогенизированная масса активного ила рассевалась на универсальную агаризованную среду (L-бульон): среди высеваемых микроорганизмов доминировали бактерии хлопьеобразного ила. Отобранные изоляты микроорганизмов переносили в отдельные чашки Петри на стерильную агаризованную среду. Чашки выдерживались 72 ч при комнатной температуре (20-22 С). Образцы с выросших колоний анализировались под микроскопом. Одновременно характеризовалась морфология колоний и клеток. Характеристика выделенных образцов (изолятов) сведена в таблицу 3.3. Типичная картина микрокопирования фиксированных препаратов (увеличение 16х100) приведена нарисунке3.22.
Исследование микробиологического профиля высеваемых микроорганизмов в процессе образования ГААИ, а также изучение их взаимодействия
Как видно из рис. 3.48, при фильтрации с суспензией силикагеля проницаемость мембран за 6 ч падала, примерно, на 9%. Можно ожидать, что при очистке сточной воды с активным илом скорость падения проницаемости будет более заметной, поэтому потребуется частая промывка мембран обратным током воды.
Перед началом опытной эксплуатации установки было необходимо оценить воздействие, оказываемое гидродинамическими силами, на морфологию активного ила в процессе эксплуатации. В частности, это может быть важно в случае образования и для целостности гранулированного активного ила [25] при эксплуатации мембранного биореактора в режиме SBR. С этой целью использовали модельную систему на основе иммобилизованного в альгинатных гранулах красителя. Его выход легко было проследить, тем самым косвенно оценив влияние гидродинамических условий в разработанном реакторе на устойчивость гранул к механическому стрессу при эксплуатации реактора.
Диаметр альгинатных гранул был выбран в интервале 3-5 мм, что соответствует ГААИ, стабилизированному действием H2O2. Установка эксплуатировалась в таком режиме в течение 15 дней, модельные гранулы были довольно устойчивы: краситель из гранул не выходил, что свидетельствовало о достаточно благоприятном гидродинамическом режиме в реакторе.
На следующем этапе испытаний в МБР поместили АИ, адаптированный к сточной воде и не подвергавшийся воздействию окислительного стресса. Концентрация активного ила в реакторе составила 2,5 г/л. После нескольких циклов очистки стока произошло полное забивание мембранного модуля. В результате обратных промывок не удалось достичь приемлемой проницаемости мембран. Предположили, что такое резкое падение проницаемости обусловлено не столько типом мембран или конструктивными особенностями и гидродинамическими условиями в МБР, сколько морфологией и другими особенностями активного ила, так как при пуске было обнаружено большое количество слизи, которая, предположительно, и не дала установке выйти на рабочий режим.
Во втором случае в МБР был помещен стабилизированный действием пероксида водорода ГААИ с концентрацией 2,5 г/л.В ходе эксперимента постепенно увеличивали проток (D) с 0,001 ч-1 до 0,1ч-1 с ХПКвх от 400 до 1200мгО2/л. Небольшие дозы пероксида водорода подавались периодически обратным током через мембранный модуль под небольшим давлением каждые 72 часа. О поступлении H2O2 в зону реакции судили по датчику pO2 – происходил резкий скачок концентрации растворённого кислорода. В ходе эксперимента показания pO2 отслеживались программно, при снижении концентрации растворенного кислорода открывался регулировочный клапан на линии подачи воздуха. Концентрация pO2 поддерживалась первоначально на уровне не менее 50% от насыщения, однако по мере возрастания концентрации активного ила и окислительной мощности МБР его массообменных способностей уже не хватало, и наступал глубокий лимит по кислороду. В процессе эксплуатации отслеживали зависимость ХПКвых=f(D, ХПКвх).Как видно из рис. 3.49 в отношении показателей очистки (ХПКвых), реактор довольно устойчив в интервале протока от 0,033 ч-1 до 0,1 ч-1 и ХПКвх от 400мгО2/л до 1200 мгО2/л. В установившемся состоянии ХПКвых менялся в диапазоне от 3 мгО2/л до 15 мгО2/л, что соответствовало степени очистки от 96% до 98%. Концентрация биомассы постепенно увеличивалась и к концу эксперимента достигла 17 г/л (рис. 3.50). Рисунок 3.50 – Изменение ХПКвых походу эксплуатации установки с загрузкой ГААИ
Окислительная мощность достигла 115-120 мг/лч (рис. 3.51). Дальнейший рост окислительной мощности ограничивался поступлением растворенного кислорода в сточную воду, о чем свидетельствовали показания датчика pO2, близкие к нулю. Последующее увеличение окислительной мощности оказалось невозможным из-за массообменных ограничений, обусловленных конструктивными особенностями МБР. В ходе эксплуатации МБР наблюдались изменения в агрегатном состоянии ила. В течение небольшого периода после внесения ГААИ в качестве инокулята гранулы распались, однако образовались компактные агломераты с большой скоростью оседания.
Концентрация нитратов и нитритов была на низком уровне (рис. 3.53), однако концентрации аммонийных ионов оставалась на высоком уровне. Последнее является следствием массообменных ограничений и лимитирования по кислороду не позволяющего протекать нитрификации эффективно. Концентрация фосфатов в начале эксперимента постепенно снижалась и в дальнейшем не возрастала. Вероятно, это связано с накоплением фосфатаккумулирующей микрофлоры в реакторе.
Проницаемость мембран в течение всего периода функционирования поддерживалась на достаточно высоком уровне (рис. 3.52) при отсутствии роста трансмембранного давления, что свидетельствует об успешно выбранной стратегии внесения пероксида водорода для управления сообществом АИ.
Внесение H2O2 в режим обратного тока через мембрану с освещением содержимого биореактора фоновым видимым светом позволяет добиться стабильной работы мембранного модуля в процессе эксплуатации при достижении окислительной мощности 120 мг/лч, степени очистки по ХПК до 99 %, содержании NH4+от 30 до45 мг/л, NO2-от 0,1 до0,2 мг/лNO3-от 0,2 до0,3 мг/л(рис. 3.53) при практическом отсутствии фосфатов в очищенном стоке. Таким образом, разработан и испытан автоматизированный комплекс с лабораторным мембранным биореактором для процесса биологической очистки сточных вод с внесением пероксида водорода через мембранный блок и освещением среды видимым светом, порядка 40 мВт/л.. Реактор эффективно функционирует при протоке от 0,001 ч-1 до 0.1 ч-1 с ХПКвх от 400 до 1200 мгО2/л (при длительной эксплуатации в непрерывном режиме очистки сточных вод не менее 180 суток с содержанием высокой проницаемости мембран).