Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ АКТИВНОГО ИЛА И БИОПЛЕНКИ В ПРОЦЕССЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ очистки сточных вод. БИОСОРБЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД 14
1.1. Характеристика искусственных экосистем биологических очистных сооружений - аэротенков, биофильтров, биосорберов 14
1.2. Современные представления о составе и свойствах биоценозов экосистем биологических очистных сооружений 24
1.2.1. Активный ил 25
1.2.2. Биопленка на поверхности инертных и активных материалов носителей 33
1.2.3. Микробные гранулы как результат комплексного воздействия экологических факторов при культивировании активного ила 40
1.3. Основные методы интенсификации процесса аэробной биологической
очистки сточных вод 46
1.3.1. Биосорбционная очистка сточных вод 74
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 81
2.1. Характеристика применяемых биообъектов 81
2.2. Характеристика питательных сред для культивирования микроорганизмов активного ила и биопленки 84
2.3. Характеристика адсорбционных материалов 85
2.4. Методики проведения экспериментов в лабораторном, пилотном и промышленном масштабе 91
2.4.1. Лабораторные исследования активного ила, микробных гранул и биопленки 91
2.4.2. Формирование биопленки на поверхности загрузок биофильтров-биосорберов 96
2.4.3. Описание установки и методики проведения экспериментов по исследованию очистки сточных вод в биофильтрах-биосорберах с биорегенерацией активированного угля 97
2.4.4. Описание пилотной установки и методики проведения экспериментов по исследованию биосорбционной очистки сточных вод в модельных аэротенках 99
2.5. Физико-химические, химические, биохимические и микроскопические методы исследований 101
2.5.1. Физико-химические и химические методы 101
2.5.2. Биохимические и микроскопические методы 102
2.5.3. Исследование адсорбционных свойств активного ила и микробных гранул 108
2.5.4. Определение содержания растворенного кислорода в микробных гранулах 109
2.5.5. Исследование адсорбционного равновесия и кинетики адсорбции
загрязнений сточных вод на поверхности порошкообразных и гранулированных адсорбционных материалов, использованных в работе 109
2.6. Методы статистической обработки результатов экспериментов, математического моделирования и расчета параметров процесса очистки сточных вод 111
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД - АКТИВНОГО ИЛА, МИКРОБНЫХ ГРАНУЛ И
БИОПЛЕНКИ В МОДЕЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ 113
3.1. Получение и культивирование аэробных микробных гранул в отьемнодоливном процессе очистки сточных вод 113
3.1.1. Характеристика микробных гранул, полученных из чистых культур 114
3.1.2. Эффективность отъемно-доливного процесса очистки сточных вод от органических веществ, аммонийного азота и фосфора 118
3.1.3. Характеристика сорбционных свойств микробных гранул в сравнении с хлопьями активного ила 125
3.1.4. Экспериментальное исследование транспорта кислорода в гранулах 127
3.2. Экспериментальное исследование роста биопленки и образования внеклеточных полимерных веществ 129
3.3. Математическое моделирование роста биопленки в проточном канале 135
ГЛАВА 4. ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД С ПРИМЕНЕНИЕМ БИОЦЕНОЗОВ НА ОСНОВЕ
КУЛЬТУР АКТИВНОГО ИЛА И БИОПЛЕНКИ 143
4.1. Исследование биосорбционной очистки сточных вод химических и нефтехимических предприятий 143
4.1.1. Биосорбционная очистка сточных вод нефтехимических предприятий 144
4.1.2. Биосорбционная очистка серосодержащих сточных вод производства тиокола 153
4.1.2.1. Биологическая очистка сточных вод в пилотной экспериментальной
установке 154
4.1.2.2. Сравнительная характеристика биоценоза активного ила в биосорбционной и биологической системах очистки 158
4.1.2.3. Реализация биосорбционной технологии в пусковой период процесса очистки серосодержащих сточных вод 159
4.1.2.4. Выводы и рекомендации по эксплуатации БОС тиокольной группы стоков с использованием бисорбционной технологии 167
4.2. Имитационное моделирование процессов биологической и биосорбционной очистки сточных вод в аэротенках 168
4.2.1. Характеристика адаптивной математической модели процесса биологической очистки сточных вод 169
4.2.1.1. Стехиометрия процессов аэробной биологической очистки сточных вод 170
4.2.1.2. Моделирование потребления многокомпонентного субстрата активным илом гетерогенного состава в процессе очистки сточных вод 172
4.2.2. Алгоритм реализации математической модели и описание имитационного компьютерного комплекса 181
4.2.3. Имитационное моделирование процесса биосорбционной очистки сточных вод. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных и рекомендации по интенсификации процесса очистки сточных вод 191
4.2.4. Алгоритм эффективного управления БОС в режиме залповых нагрузок 197 4.3. Технико-экономическая эффективность биосорбционной технологии и оценка предотвращенного экономического ущерба из-за загрязнения окружающей природной среды 199
4.3.1. Критерии эффективности 199
4.3.2. Оценка технико-экономической эффективности биосорбционной технологии очистки сточных вод в аэротенках 201
ГЛАВА 5. БИОСОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В ИСКУССТВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМАХ БИОФИЛЬТРОВ-БИОСОРБЕРОВ С БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИЕЙ АДСОРБЕНТА 207
5.1. Исследование биосорбционного процесса очистки сточных вод в биофильтрах-биосорберах 208
5.1.1. Кинетика адсорбции и биодеградации СПАВ из модельных растворов сточных вод 208
5.1.2. Динамика адсорбционного и биосорбционного процессов очистки сточных вод от СПАВ 211
5.2. Оценка доступности субстрата для биодеградации и исследование процесса биологической регенерации активированных углей в
биосорбционном процессе очистки сточных вод 215
5.2.1. Кинетика адсорбции и десорбции полиэтиленоксида 218
5.2.2. Кинетика адсорбции и десорбции фенола 226
5.2.3. Кинетика адсорбции фенола в смеси с ПЭО 233
5.2.4. Исследование биологической регенерации активированного угля 236
5.2.4.1. Совместная биорегенерация активированного угля 236
5.2.4.2. Отдельная биорегенерация активированного угля 237
5.2.4.3. Адсорбция и биорегенерация активированного угля в условиях
двухкомпонентного субстрата 242
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 246
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 249
ПРИЛОЖЕНИЯ 267
- Характеристика искусственных экосистем биологических очистных сооружений - аэротенков, биофильтров, биосорберов
- Характеристика применяемых биообъектов
- Получение и культивирование аэробных микробных гранул в отьемнодоливном процессе очистки сточных вод
Введение к работе
Вода - больший дефицит, чем энергия.
У нас есть альтернативные источники энергии, но альтернативы воде нет.
Юджин Одум
Актуальность проблемы. Одной из важнейших причин сложной экологической ситуации в настоящее время по-прежнему остается дисбаланс в развитии производительных сил и темпов реализации природоохранных мероприятий на урбанизованных территориях /1/. Эмиссия загрязнений в окружающую среду на территории Российской Федерации происходит более всего в результате техногенных аварий и катастроф, а также стихийных явлений и катаклизмов.
Тем не менее, техногенная нагрузка на окружающую среду неуклонно возрастает не только вследствие аварийных ситуаций на промышленных объектах, но и в ходе их номинальной эксплуатации. Из-за перегруженности и низкого качества работы очистных сооружений продолжается сброс в водные объекты неочищенных и недостаточно очищенных сточных вод. По данным /1/, в Российской Федерации около 55 % сточных вод, сбрасываемых в водоемы, не требуют очистки; 4 % - являются нормативно очищенными; 30 % - очищенные недостаточно; около 11 % - являются загрязненными и сбрасываются без очистки.
Известно, что практически единственным методом, способным на практике обеспечить очистку огромного количества сточных вод, является биологический метод с использованием микроорганизмов. Среди применяемых методов очистки сточных вод биологическая очистка является наиболее дешевой, доступной и надежной в санитарном отношении, поэтому очистные сооружения крупных городов в качестве основной ступени очистки реализуют этот метод очистки сточных вод.
Многообразие биохимических функций микроорганизмов привело к формированию «доктрины катаболической безотказности микробов», так как
6 любое органическое соединение, имеющееся в природе, используется какими-либо микроорганизмами 121.
Применительно к промышленным сооружениям биологической очистки сточных вод речь идет о протекании естественных процессов самоочищения водоемов в наиболее благоприятных условиях культивирования микроорганизмов в аэротенках с учетом отсутствия лимитирующего и ингибирующего действия кислорода и органического субстрата - примесей сточных вод, обогащения состава субстрата биогенными элементами, прежде всего, азотом и фосфором. Поэтому скорости процессов очистки сточных вод в искусственных сооружениях в тысячи и десятки тысяч раз выше по сравнению с их протеканием в природных условиях.
Биотехнология очистки сточных вод в аэротенках принципиально не изменилась со времен ее создания в 1914-1921 г.г. Как самая крупнотоннажная технология, она имеет основную, до сих пор до конца нерешенную проблему: образование огромных количеств микробной биомассы - избыточного активного ила в результате его активного прироста при достаточном обеспечении субстратом в аэробных условиях.
Необходимо отметить, что в начале XX века основной объем сточных вод состоял из коммунально-бытовых стоков, которые успешно подвергались очистке таким способом. Однако в настоящее время традиционные очистные сооружения - аэротенки, биофильтры с использованием микроорганизмов активного ила и/или биопленки - зачастую не обеспечивают требуемой степени очистки сточных вод. Это обусловлено бурным развитием химической и других отраслей промышленности, созданием новых производств, а также организацией гибких производств, что связано с возникновением «залповых» по количеству и составу примесей сбросов сточных вод на очистные сооружения.
Было бы ошибочным считать, что микроорганизмы активного ила способны разрушить любое синтетическое органическое вещество, попадающее в очистное устройство, особенно если вещество токсично и вследствие этого губительно влияет на организмы активного ила или, напротив, является биологически ригидным, поступает эпизодически и в малых концентрациях /З/. В последнем случае такое вещество проходит очистные сооружения транзитом, попадая далее в водоем либо накапливаясь в биомассе активного ила и далее с избыточным активным илом на иловых площадках.
Начиная со второй половины 80-х годов XX века, в России и за рубежом началось внедрение в практику новых, экономически рациональных и экологически безупречных биотехнологий очистки сточных вод.
По результатам исследований в области биологической очистки сточных вод отдельные авторы полагают, что методы интенсификации этого процесса инженерными средствами близки.к исчерпанию и дальнейшая работа в этом направлении не дает значительных сдвигов /4/. Приоритет получает использование резервов самих микроорганизмов и создание условий для их реализации.
Учитывая вышеизложенное, актуальным является создание оптимальных с технико-экономической точки зрения условий культивирования микроорганизмов, ведущих процесс очистки сточных вод в традиционных или вновь проектируемых очистных сооружениях.
С этой целью динамичное развитие за последние два десятка лет получили биофизикохимические методы очистки сточных вод. К одному из наиболее перспективных и универсальных следует отнести биосорбционный метод очистки, основанный на совместной во времени и в пространстве биологической и адсорбционной очистке сточных вод. В настоящее время разнообразные технологические решения при реализации этого метода существуют в промышленном масштабе 151.
Несмотря на опыт, накопленный в ходе исследований бисорбционного метода очистки сточных вод в мире, оставалось невыясненным, в каких случаях его использование является наиболее эффективным, и какие биотехнологические аспекты, а точнее, их совокупность, обеспечивает его эффективность.
Диссертационная работа выполнена в соответствии со следующими комплексными программами и исследовательскими проектами: Межрегиональной научно-технической программой «Биотехнология» (подпрограмма и приоритетное направление «Экологическая биотехнология») (1994-1996 г.г.), программами и планами НИОКР Республики Татарстан «Развитие мониторинга и оздоровление 9кружающей среды» (1993 г.), «Химия и химическая технология» (1996 г.), а также в рамках государственного исследовательского проекта "SFB 411" (1999-2001 г.г.) Мюнхенского технического университета, ФРГ.
Цель работы состоит в анализе совокупности экологических и технологических факторов эффективного функционирования биосорбционных процессов, научном обосновании, разработке основ новых и совершенствовании действующих технологически надежных, экологически безопасных и экономически выгодных биотехнологий очистки производственных сточных вод.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработать методологию исследования биосорбционных процессов и явлений в ходе биологической очистки сточных вод от многокомпонентного субстрата в аэротенках и биофильтрах-биосорберах, эксплуатирующихся в режимах рабочих и «залповых» нагрузок.
2. Определить закономерности роста и развития микробных агрегатов активного ила, гранул и биопленки в зависимости от различных экологических факторов: ассоциативного взаимодействия микробных культур в биоценозе, от доступности субстрата и кислорода, скорости потока сточных вод.
3. Охарактеризовать и количественно оценить физико-химические и биологические эффекты в системе «биопленка-адсорбент», такие как адсорбция субстрата на поверхности адсорбента и его доступность для биодеградации, а также биологическая регенерация адсорбента в результате микробной жизнедеятельности. Исследовать процесс биорегенерации и определить основные факторы, определяющие его успех.
4. Сформулировать основные механизмы удаления примесей сточных вод в процессе совместной биологической и адсорбционной обработки и проанализировать влияние различных адсорбционных материалов на свойства активного ила. Разработать технологические рекомендации для практического использования различных адсорбционных материалов для эффективной биосорбционной очистки сточных вод от разнообразных примесей.
5. Разработать и реализовать алгоритмы математического описания процессов биологической и биосорбционной очистки сточных вод для имитации и эффективной поддержки управленческих решений по эксплуатации биологических очистных сооружений.
Научная новизна
1. По результатам модельных исследований микробных агрегатов в биологических и биосорбционных процессах очистки сточных вод определены закономерности их развития в зависимости от основных экологических факторов: взаимоотношений микробных культур в биоценозах, доступности субстрата и кислорода, а также скорости потока сточных вод. Впервые из чистых бактериальных культур Sphaerotilus natans и Zoogloea ramigera, являющихся доминирующими структурообразующими микроорганизмами в хлопьях активного ила, получены устойчивые биоагрегаты - микробные гранулы и выявлен механизм их формирования и развития. Показана сложность ассоциативных взаимоотношений нитчатых бактерий Sph. natans и зооглейных бактерий Z. ramigera с активным развитием «каркаса» будущего микробного агрегата при опережающем потреблении углеродного субстрата нитчатыми бактериями с последующим подавлением их роста зооглейными бактериями, иммобилизованными на «нитчатом каркасе» и включенными в слизистый матрикс. На примере чистой культуры Sphingomonas sp. LI 38 исследованы закономерности роста биопленки на твердой поверхности, показано стимулирующее влияние как низких, так и высоких скоростей протока питательной среды.
Проведен комплекс лабораторных, пилотных исследований и промышленных испытаний биотехнологий очистки промышленных сточных вод. В условиях отъемно-доливного культивирования активного ила получены микробные гранулы и проанализированы основные показатели этого процесса и свойства микробных гранул. В непрерывных биосорбционных процессах очистки сточных вод активным илом и биопленкой достоверно показано, что присутствие адсорбционных материалов, таких как цеолитсодержащая порода и активированный уголь в биологических системах способствует формированию комплекса благоприятных абиотических и биотических факторов среды обитания микробоценозов, прежде всего, симбиоза основных групп бактерий активного ила - углеродокисляющих и нитрифицирующих, а также обеспечения клеток микроорганизмов доступным субстратом. Впервые определены основные факторы, обеспечивающие эффективность биологической регенерации активированных углей, насыщенных в ходе биосорбционной очистки ароматическими углеводородами и ПАВ, с одной стороны, и ограничивающие промышленное применение этого процесса - с другой.
С учетом экспериментально установленных закономерностей развития экосистемы биологических очистных сооружений при потреблении многокомпонентного субстрата активным илом гетерогенной структуры разработана имитационная математическая модель аэротенка. Получены адекватные модели кинетики микробного роста и потребления в качестве субстрата доминирующих компонентов химзагрязненных сточных вод: нефтепродуктов, фенола, аммонийного азота. Для расчета параметров
11 процесса очистки сточных вод в аэротенке сформулированы алгоритмы имитационного управления, реализованные на базе современных программных комплексов.
Практическая значимость
Результаты исследования комплекса технологических и экологических аспектов биосорбционных процессов могут быть использованы для эффективной реализации экологически безопасных и экономически выгодных методов биологической и биосорбционной очистки сточных вод с использованием иммобилизованной биомассы.
На основании полученных результатов сформулированы рекомендации по применению углеродных или минеральных сорбентов в традиционных системах биологической очистки в зависимости от конкретных проблем в работе биологических очистных сооружений (БОС).
Апробированная в пилотном и промышленном масштабе биосорбционная технология очистки сточных вод на базе существующих аэротенков обеспечила: эффективную очистку сточных вод по ХПК, нефтепродуктам, аммонийному азоту и другим загрязнениям; достижение высоких скоростей биоокисления органических веществ и глубину процесса нитрификации; стабильность и надежность процесса очистки в номинальных и залповых режимах эксплуатации БОС.
Для оптимизации практической эксплуатации биосорбционных систем предложен алгоритм дозирования мелкодисперсного сорбента «по сигналу» о наличии залпа до его погашения.
По результатам проведенных исследований получены исходные данные и проведены промышленные испытания биосорбционной технологии очистки сточных вод ОАО «Нижнекамскнефтехим», ОАО «Казаньоргсинтез», ОАО «Казанский завод СК». Разработан технологический регламент процесса очистки сточных вод ОАО "Казанский завод СК".
Показано, что в системах биологически активированной угольной фильтрации имеет место процесс биологической регенерации активированного угля, вследствие чего увеличивается реальный ресурс загрузки и обеспечивается эффективность фильтра в случае «залповых» нагрузок загрязнений.
В комплексной схеме очистки сточных вод Казанского химического комбината им. Вахитова для эффективного удаления ПАВ испытана ступень биологически активированной угольной фильтрации. Полученные результаты послужили основанием для проведения технико-экономического обоснования предложенной схемы очистки сточных вод.
В результате применения различных биосорбционных технологий очистки сточных вод оценена технико-экономическая эффективность разработанных технологий как сумма уменьшения платежей за загрязнение водоемов (экономический эффект предприятия) и уменьшения экономического ущерба окружающей среде вследствие снижения антропогенной нагрузки на водоемы.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались: - на Международных симпозиумах и конференциях: «Экология'92» (г. Бургас, Болгария, 1992), «Экология'95» (г. Бургас, Болгария, 1995), «Экология'97» (г. Бургас, Болгария, 1997); «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (г. Томск, 1995); молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-97» (г. Москва, 1997), «МКХТ-98» (г. Москва, 1998); по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия» (г. Нижнекамск, 1996, 1999); «Окружающая среда для нас и будущих поколений» (г.Самара, 1998); по биотехнологии окружающей среды ISEB'97-Meeting «Bioremediation» (Leipzig, Germany, 1997), ISEB'99 Meeting «Biopolymers» (Leipzig, Germany, 1999), ISEB 2000 «Environmental Biotechnology (Kyoto, Japan, 2000); no загрязненным почвам FZK/TNO «Contaminated Soil 2000»(Leipzig, Germany, 2000); «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (КХТП-V) (Казань, 1999); «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-14) (г. Смоленск, 2001); «Biological Activated Carbon Filtration» (Delft, Netherlands, 2002); «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (г. Москва, 2002); на Всесоюзных и Всероссийских, межрегиональных и республиканских конференциях, семинарах и совещаниях: «Экологические аспекты в производстве антибиотиков и химико-фармацевтических препаратов (г. Пенза, 1989); «Проблемы промышленной экологии» (г.Черновцы, Украина, 1991); «Математические методы в химии» (ММХ-7) (г. Казань, 1991), ММХ-8 (г. Тула, 1993); «Мониторинг окружающей среды» (г. Казань, 1992); «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан» (г. Казань, 1993, 1997); «Экологические аспекты устойчивого развития Республики Татарстан» (г. Казань, 1995); «Экологическое образование и охрана окружающей среды» (г. Казань, 1999).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 71 научная работа, в том числе 1 монография, 1 патент РФ и 1 Свидетельство РФ на полезную модель. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 266 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка, включающего 193 наименования, и приложений. Диссертация проиллюстрирована 68 рисунками и 47 таблицами.
Характеристика искусственных экосистем биологических очистных сооружений - аэротенков, биофильтров, биосорберов
Искусство управления процессом биологической очистки сточных вод заключается в учете многих характерных особенностей этого процесса. Прежде всего, речь идет о культивировании активного ила - сложного биоценоза, чутко реагирующего на возмущения, определяемые изменением нагрузки на очистные сооружения. В связи с этим возникают проблемы, связанные с «голоданием» и «вспуханием» активного ила, приростом и образованием его избыточных количеств. Многокомпонентность состава сточных вод, присутствие в них синтетических органических веществ (ксенобиотиков) требует выяснения их биоразлагаемости. Образование сточных вод, насыщенных ксенобиотиками, характерно для предприятий, прежде всего, химической и нефтехимической отраслей. Существенным является и то, что состав сточных вод в условиях гибкого производства весьма непостоянен, и сточная вода требует обязательного накопления и усреднения по составу примесей и их концентрациям.
Вопрос адаптации микроорганизмов к примесям в сточной воде остается наиболее важным: «Позаботься об иле, остальное в системе очистки позаботится о себе само» /6/. Однако даже при создании наиболее благоприятных условий для развития микроорганизмов органические и неорганические примеси сточных вод подвергаются биодеградации неполностью, поэтому в сточной воде присутствуют остаточные концентрации загрязняющих веществ. Такой предел биоразлагаемости органических веществ является характерным для биотехнологических процессов при использовании легкоусваиваемого субстрата, например, моносахаров. Вообще говоря, проблема неиспользованного субстрата в культуральной жидкости при направленном биосинтезе ценных продуктов микробной деятельности остается актуальной, так как это обстоятельство резко снижает технико-экономическую эффективность процесса культивирования микроорганизмов. В случае культивирования микроорганизмов на сточных водах решение проблемы неиспользованного субстрата с обеспечением высокого качества биологически очищенных сточных вод является чрезвычайно важной природоохранной задачей.
Существует три основных способа культивирования биомассы в биотехнологии очистки сточных вод: непрерывный, периодический и полунепрерывный (отъемно-доливной). Разработано множество вариантов их реализации: как по аппаратурному оформлению, так и по виду культивируемой биомассы. Биомасса может эксплуатироваться в свободном (диспергированном, суспензионном) или в иммобилизованном состоянии.
Микроорганизмы очистных сооружений культивируют как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Наибольшее распространение в промышленности получили аэробные процессы очистки, основанные на использовании аэробных групп микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода. Если процесс проводят в аэробных условиях, то сумму реакций биологического окисления можно представить в виде следующих схем 111:
Характеристика применяемых биообъектов
Активный ил БОС органических производств для очистки сточных вод и получения биопленки. Характерная популяционная структура бактериального сообщества формировалась тремя доминирующими группами следующих родов p. Pseudomonas, группа р. Acinetobacter и группа p. Rhodococcus /30/. Представители указанных родов способны утилизировать ароматические соединения, такие как фенол, бензол, толуол, этилбензол, стирол, ацетофенон, метилкарбинол, а также алифатические соединения, такие как ацетонитрил, метилэтилкетон, диметилформамид. Большинство микрооорганизмов относится к грамотрицательным бактериям. Устойчивая способность утилизировать указанные соединения сформировалась в процессе многолетней непрерывной эксплуатации БОС.
Активные ил, работающий в нормальных условиях эксплуатации БОС, обладал серо-коричневым или коричневым цветом, средним размером хлопьев 2,5-5,0 мм. Хлопья рыхлые, занимающие большой объем осадка. Скорость биохимического окисления загрязнений составляет от 2 до 16 мг БПКУ(гхч). Биохимический показатель (БПКП/ХПК) сточных вод различных нефтехимических производств составляет от 0,001 до 0,4 /17,101/.
Активный ил БОС производства тиокола для очистки серосодержащих сточных вод и получения биопленки. Восстановленные соединения серы в аэробных условиях подвергаются микробному окислению тремя группами бактерий, населяющих активный ил: аэробные фотосинтезирующие (окрашенные), тионовые и серобактерии /20/. В исследованном активном иле преобладали тионовые и бесцветные серобактерии.
Тионовые бактерии являлись доминирующей группой в данной работе, что определялось характером субстрата - компонентов сточных вод.
В морфологическом отношении тионовые представляют однородную группу. По внешним признакам они схожи с псевдомонадами и все они относятся к роду Thiobacillus. Это грамотрицательные бактерии, палочковидные, с полярно расположенными жгутиками, бесспоровые /102/. Активный ил, использованный в данной работе, характеризовался подавляющим преобладанием тионовых бактерий, относимых к облигатным хемолитоавтотрофам. Таким образом, целевым субстратом для конструктивного обмена являлся С02, а единственным источником энергии -восстановленные соединения серы.
Получение и культивирование аэробных микробных гранул в отьемнодоливном процессе очистки сточных вод
В настоящее время исследование микробных гранул ведутся в направлении определения оптимальных условий культивирования для получения гранул, в частности, по типу используемого субстрата, по различным физико-химическим факторам - рН, гидродинамическим условиям и др. Важнейшим аспектом представляется исследование биологического фактора в процессе получения и культивирования микробных гранул.
В активном иле идентифицированы бактерии множества различных видов /132/, но, как правило, их определение до вида не представляет большого интереса. Следует выделять только 3 основные группы: углеродокисляющие флокулообразующие бактерии, углеродокисляющие нитчатые бактерии, бактерии-нитрификаторы /6/.
Бактерии-флокулообразователи необходимы не только для окисления загрязнений, обусловливающих БПК и ХПК, но и для образования стабильных флокул, которые способны быстро осаждаться с образованием плотного ила в отстойнике. Образование флокул приписывают бактериям псевдомонадам рода Zoogloea, в частности Z. ramigera. Скопления бактерий в флокулированном активном иле окружены слизистым слоем (капсулами). Отмечено /II, что бактерии, лишенные слизистого слоя (бескапсульные штаммы), с меньшей скоростью окисляют загрязнения.
Нитчатые бактерии представляют собой до некоторой степени аномалию. С одной стороны, известно /133/, что они образуют скелет, вокруг которого формируются флокулы, с другой - из-за массового развития при преимущественном потреблении субстрата являются источником двух специфических проблем: плохого осаждения и образования устойчивой пены /134-136/.
Способность к образованию слизи отражает ассоциативные взаимоотношения и, прежде всего, конкуренцию за углеродный субстрат различных групп бактерий, населяющих активные илы. Изменяя условия среды, зооглейные бактерии могут создавать обстановку, неблагоприятную для существования нитчатых бактерий Sphaerotilus natans, Sphaerotilus dichotomus, p. Leptothrix, разрушающих зооглейные скопления. Слизистые вещества содержат антибиотики, обладающие способностью подавлять рост нитчатых бактерий и даже приводить к их гибели /137/.
Поэтому актуальным являлось исследование двух групп бактерий, ответственных за структуру микробных агрегатов в процессе получения микробных гранул.
Похожие диссертации на Технологические и экологические основы биосорбционных процессов очистки сточных вод
