RU2753657C1 - Method for biological purification of waste water from phosphates - Google Patents

Method for biological purification of waste water from phosphates Download PDF

Info

Publication number
RU2753657C1
RU2753657C1 RU2020125577A RU2020125577A RU2753657C1 RU 2753657 C1 RU2753657 C1 RU 2753657C1 RU 2020125577 A RU2020125577 A RU 2020125577A RU 2020125577 A RU2020125577 A RU 2020125577A RU 2753657 C1 RU2753657 C1 RU 2753657C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
stage
bioreactor
fao
waste water
medium
Prior art date
Application number
RU2020125577A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Викторович Пименов
Александр Геннадьевич Дорофеев
Юрий Александрович Николаев
Владимир Анатольевич Грачев
Анна Витальевна Пелевина
Юлия Юрьевна Берестовская
Анна Юрьевна Каллистова
Роман Юрьевич Котляров
Алексей Владиславович Белецкий
Николай Викторович Равин
Андрей Владимирович Марданов
Original Assignee
Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук" (ФИЦ Биотехнологии РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук" (ФИЦ Биотехнологии РАН) filed Critical Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук" (ФИЦ Биотехнологии РАН)
Priority to RU2020125577A priority Critical patent/RU2753657C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2753657C1 publication Critical patent/RU2753657C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/30Aerobic and anaerobic processes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/34Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the microorganisms used

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Purification Treatments By Anaerobic Or Anaerobic And Aerobic Bacteria Or Animals (AREA)

Abstract

FIELD: water purification.
SUBSTANCE: invention can be used for purification of waste water. Waste water is purified from phosphates in an SBR-type sequencing batch bioreactor under cyclic conditions. 1. The stage of creating anaerobic conditions by blowing the reactor with nitrogen for 5 minutes. 2. The stage of anaerobic growth of phosphate-accumulating organisms (PAO) acetate as a source of carbon, executed while stirring, at a pH of the medium of 8.5 to 8.7 and a temperature of 18 to 20°C. 3. The stage of growth of the PAO under conditions of air aeration at an intensity providing an oxygen concentration in the medium of 2 to 3 mg/l for 3 hours, forming a microbial community characterised by the presence of aggregates with a size not exceeding 25 mcm, containing PAO of the Rhodocyclaceae family belonging to the Dechloromonas and Zoogloea genera. 4. The stage of removing a part of the culture with the purified water in the absence of the stage of settling and deposition of silt. Stages 1 to 3 are executed in each cycle. Stage 4 can be executed after completing several cycles consisting of stages 1 to 3.
EFFECT: invention provides an increase in the specific efficiency of purification of waste water and provides a possibility of cultivating new phosphate-accumulating microorganisms.
3 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

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.The invention relates to the field of wastewater treatment from phosphorus compounds. The invention can be used to obtain microbial communities enriched with phosphate-accumulating microorganisms with their further use as an inoculum at industrial treatment facilities using the technology of biological phosphorus removal. The invention can also be used to obtain enrichment cultures of phosphate-accumulating organisms for research purposes.

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.Phosphorus is a nutrient that plays a key role in many natural and artificial ecosystems. The intensification of its extraction and use has led to the emergence of two large-scale problems: massive eutrophication of water bodies caused by the ingress of phosphorus with wastewater and the danger of a global phosphorus deficit in the coming decades due to the limited and non-renewable nature of its mineral reserves.

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.).The most rational way to solve these problems is to develop and implement technologies for removing phosphorus from wastewater to an environmentally friendly level and converting the extracted phosphorus into a commercial product for reuse (Cordell D., White S. Sustainable Phosphorus Measures: Strategies and 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).Effective methods for removing phosphorus compounds from wastewater include stages of biological phosphorus removal (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), based on cyclic biochemical processes characteristic of microorganisms belonging to the poorly studied group of phosphate-accumulating organisms (FAO).

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).Known technologies for biological phosphorus removal refer either to continuous processes or to the so-called SBR-processes organized in reactors of the SBR type (Sequencing Batch Reactor) (Wastewater Engineering. Treatment and Resource Recovery, fifth ed., Metcalf & Eddy / AECOM. Revised by G. Tchobanoglous, HD 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 PA, Irvine RL, Goronszy MC IWA Publishing. 2001, 76). For example, there is a known method for biological removal of phosphorus in a continuous process, which consists in mixing return activated sludge with incoming waste water under anaerobic conditions, and then transferring the sludge mixture to the aeration zone, where "greedy" absorption of phosphates occurs (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.The disadvantages of continuous processes are the large areas occupied by structures, the need to pump significant volumes of liquid to create technological zones (the so-called "recycle"), which significantly increases the cost and complicates water purification.

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.Methods using batch-type reactors - SBR-reactors, characterized by a higher volumetric power due to combining the functions of a bioreactor and a settler (sludge separator) in one vessel - are devoid of this drawback. In one cycle in SBR, the culture goes through a series of phases with a given duration and sequence: filling the reactor, phase with anoxic conditions, phase with anaerobic conditions, phase with aerobic conditions, settling phase and disposal of the spent medium.

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.For example, there is a known method for purifying wastewater from biogenic elements, including phosphorus, in an SBR bioreactor with the formation of a fluidized bed, according to which, in the first stage, wastewater is supplied to a reactor with granular activated sludge, then mixing under anaerobic conditions occurs, in the next stage, the reactor aerated, at the fourth stage, the sludge mixture settles, at the fifth stage, the purified water is drained (US 2014/0224729, 2014). The main condition for the implementation of the SBR wastewater treatment process is the ability of the grown biomass to settle (in a broad sense, to sufficiently quickly separate from the liquid phase), and therefore the biomass is grown in the form of floccules or granules of rapidly settling activated sludge or on the surface of loading elements.

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).A known method for biological removal of phosphorus in an SBR-type reactor, using granular activated sludge, and provides for the need for a stage of settling the sludge in the bioreactor (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.However, activated sludge floccules have a complex multicomponent structure, contain ballast substances, therefore, it is extremely difficult to obtain an artificial microbial community with controlled microbial components dominated by FAO in this case. Another disadvantage of using granular biomass is the slowdown of biochemical reactions due to slow mass transfer caused by the presence of a diffusion barrier between the outer and inner layers of activated sludge granules, which has millimeter dimensions. In addition, the use of floccules or granules can lead to clogging of the diffusers of aeration systems, as well as to the accumulation of sludge at the bottom of the bioreactor in case of emergency shutdown of mixing systems.

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).The closest technical solution, which we have chosen as a prototype, is a method for biological purification of waste water from phosphates, carried out in a bioreactor of sequential-periodic action. The method includes the stage of feeding wastewater and activated sludge containing microbial cultures enriched with phosphate-accumulating organisms (FAO) into the bioreactor, the stage of anaerobic growth of FAO using acetate ions as a carbon source, the stage of FAO growth under conditions of aeration with air, the stage of precipitation of activated sludge and a step for withdrawing the purified aqueous medium. Activated sludge in the well-known solution removes 75-80% of phosphorus from the environment to be purified (Kotlyarov R.Yu. et al., New phosphate-accumulating bacteria found in a plant for purifying wastewater from phosphates, Microbiology, vol. 88, 6, 2019, p. 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.However, the known method is not effective enough. Achieving a high degree of purification from phosphates requires a significant time for the process due to the low specific activity of the biomass of activated sludge containing those specified in the known FAO solution.

Задачей предложенного технического решения является разработка нового эффективного способа очистки сточных вод от фосфатов с использованием микробных ассоциаций, обогащенных ФАО.The task of the proposed technical solution is to develop a new effective method for purifying wastewater from phosphates using microbial associations enriched with FAO.

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.The technical result of the invention is to increase the rate of removal of phosphates from waste water and stabilize the process due to the development of microorganisms in the bioreactor with increased specific activity, as well as expanding the range of biological methods for purifying waste water from phosphates.

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.The problem is solved by the described method of purification of waste water from phosphates in a bioreactor of sequential-periodic action (reactor of the SBR type), which includes the stage of feeding waste water and activated sludge containing microbial cultures enriched in cultured phosphate-accumulating organisms (FAO) into the bioreactor, the stage of creating anaerobic conditions, the stage of anaerobic growth of FAO using acetate ions as a carbon source, the stage of growth of FAO under conditions of aeration with air at an intensity that provides an oxygen concentration in the medium of 2-3 mg / L, with the formation of a microbial community characterized by the presence of aggregates not exceeding 25 µm, containing FAO of the family Rhodocyclaceae belonging to the genera Dechloromonas and Zoogloea, and the stage after aeration of the withdrawal of the purified homogeneous aqueous medium, carried out in the absence of sedimentation and concentration of activated sludge in the bioreactor.

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.Preferably, the withdrawal of the purified aqueous medium from the bioreactor is carried out after n cycles, consisting of the stages of anaerobic and aerobic growth of FAO, while the volume of the withdrawn aqueous medium is equal to the total volume of the medium to be purified supplied in n cycles, where n = 4.

Преимущественно, при запуске биореактора подают активный ил из сооружений биологической очистки сточных вод от фосфора, содержащий известные ФАО семейства Rhodocyclaceae - Са. Accumulibacter.Mainly, when the bioreactor is started, activated sludge is supplied from the biological wastewater treatment plant to remove phosphorus, containing the well-known FAO of the Rhodocyclaceae family - Ca. Accumulibacter.

Стадию создания анаэробных условий предпочтительно, но не исключительно, проводят путем продувки реактора азотом в течение 5 минут.The step of creating anaerobic conditions is preferably, but not exclusively, carried out by purging the reactor with nitrogen for 5 minutes.

Стадию анаэробного роста ФАО, предпочтительно, проводят при рН среды 8,5-8,7 и температуре 18-20°С в течение 2 ч 50 минут.The stage of anaerobic growth of FAO is preferably carried out at a pH of the medium of 8.5-8.7 and a temperature of 18-20 ° C for 2 hours 50 minutes.

Стадию аэробного роста, предпочтительно, проводят при рН среды 8,5-8,7 и температуре 18-20°С в течение 3 ч.The stage of aerobic growth is preferably carried out at a pH of the medium of 8.5-8.7 and a temperature of 18-20 ° C for 3 hours.

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.The technical result of the invention is achieved in the scope of an independent claim, since when carrying out the method in the amount of the totality of features included in the independent claim, conditions are created for the cultivation of a new microbial community of FAO, which has a higher specific activity compared to the specific activity of the microbial community cultivated in the method prototype.

Предлагаемый способ после подачи в реактор исходной очищаемой среды, содержащей активный ил, по сути, состоит из следующих последовательно протекающих стадий:The proposed method, after feeding into the reactor the initial purified medium containing activated sludge, in fact, consists of the following sequentially proceeding stages:

1. Стадия создания анаэробных условий;1. Stage of creation of anaerobic conditions;

2. Анаэробная стадия с добавлением легкодоступного источника углерода и энергии в виде ацетата;2. Anaerobic stage with addition of readily available carbon and energy source in the form of acetate;

3. Аэробная стадия, осуществляемая при заявленных условиях после потребления ацетата;3. Aerobic stage, carried out under stated conditions after consumption of acetate;

4. Стадия удаления очищенной водной среды и части культуры без проведения стадии отстаивания ила;4. The stage of removing the purified aqueous medium and part of the culture without carrying out the stage of settling the sludge;

При этом стадии 1-3 обязательно входят в каждый цикл, а стадию 4 (удаление) можно повторять через несколько стадий 1-3.In this case, stages 1-3 are necessarily included in each cycle, and stage 4 (removal) can be repeated after several stages 1-3.

На фиг 1 приведена одна из возможных схем установки для осуществления заявленного способа, где соответствующие номера позиций обозначают следующие узлы:Figure 1 shows one of the possible installation schemes for implementing the claimed method, where the corresponding position numbers indicate the following units:

1 - биореактор;1 - bioreactor;

2 - насос для подачи сточной воды;2 - pump for waste water supply;

3 - насос вывода очищенной среды и культуры;3 - pump for removing the purified medium and culture;

4 - воздушный компрессор;4 - air compressor;

5 - источник газообразного азота;5 - a source of gaseous nitrogen;

6 - система регулирования подачи газов;6 - gas supply control system;

7 - кислородомер.7 - oxygen meter.

На фиг. 2 приведен график содержания растворимых фосфатов в биореакторе в ходе процесса культивирования: кривая 1 - концентрация Р-PO4 в сточной воде, поступающей в реактор, кривая 2 - концентрация Р-РО4 на выходе из биореактора.FIG. 2 shows a graph of the content of soluble phosphates in the bioreactor during the cultivation process: curve 1 is the concentration of P-PO 4 in the waste water entering the reactor, curve 2 is the concentration of P-PO4 at the outlet of the bioreactor.

Эффективность разработанного нами способа подтверждена ниже.The effectiveness of the method developed by us is confirmed below.

Пример.Example.

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.The laboratory setup for the cyclic cultivation of the microbial community is made on the basis of the BIOSTAT B bioreactor (SARTOPJUS) with a working volume of 2 liters, equipped with a stirring device and an external jacket for thermostating.

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).The cyclical nature of cultivation consisted of alternating anaerobic conditions with the presence of acetate (a readily available source of carbon and energy) and aerobic conditions without acetate (after its consumption in the anaerobic stage). The supply of the purified medium to the bioreactor and the withdrawal of the purified medium and culture were carried out using two peristaltic pumps. Aerobic and anaerobic conditions are created by supplying air or nitrogen to the bioreactor, purified from traces of oxygen, using a gas supply control system (LLC ELTOCHPRIBOR, RF). Gas flows and peristaltic pumps are controlled automatically using a universal logic module LOGO (SIEMENS).

Каждый цикл культивирования микробного сообщества в биореакторе длился 6 часов и состоял из нескольких последовательных стадий:Each cycle of cultivation of the microbial community in the bioreactor lasted 6 hours and consisted of several successive stages:

(1) создание анаэробных условий продувкой реактора азотом в течение 5 минут (за это время концентрация О2 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.(1) creating anaerobic conditions by purging the reactor with nitrogen for 5 minutes (during this time, the concentration of O 2 in the culture fell below 0.05 mg / l), after which 0.125 l of waste water is fed into the bioreactor. The total duration of this stage was 10 minutes.

(2) анаэробная стадия, в течение которого осуществляют перемешивание среды мешалкой со скоростью 200 об/мин. Продолжительность анаэробного периода составила 2 часа 50 мин.(2) an anaerobic stage, during which the medium is stirred with a stirrer at a speed of 200 rpm. The duration of the anaerobic period was 2 hours 50 minutes.

(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.(3) the aerobic stage, during which the microbial community contained in the aquatic environment is aerated with air at an intensity that provides an oxygen concentration of 2-3 mg / l. The duration of the aerobic stage was 3 hours.

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.Every four cycles, consisting of anaerobic and aerobic stages (total duration 24 hours), at the end of the aerobic period (5 minutes before its end), the air supply is stopped and 0.5 liters of a homogeneous aqueous medium containing the formed microbial community is drained from the bioreactor.

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): CH3COONa×3H2O - 0,708; (NH4)2SO4 - 0,046; KH2PO4-0,109; дрожжевой экстракт - 0,009; MgSO4×7H2O - 0,135. рН - 8.5-8.7, температура - 18-20°С.At stage (1), the rector was inoculated with sludge from the aerotanks of the Lyubertsy treatment facilities (Moscow). The waste water supplied to the reactor corresponded in composition to the waste water of municipal treatment facilities. The aqueous medium supplied for purification had the following composition (in g / l): CH 3 COONa × 3H 2 O - 0.708; (NH 4 ) 2 SO 4 - 0.046; KH 2 PO 4 -0.109; yeast extract - 0.009; MgSO 4 × 7H 2 O - 0.135. pH - 8.5-8.7, temperature - 18-20 ° С.

Химические анализы проводили по стандартным методикам. Концентрацию растворенного кислорода измеряли электрохимически с использованием кислородомера Oxi 197 (WTW, Германия).Chemical analyzes were performed according to standard methods. The dissolved oxygen concentration was measured electrochemically using an Oxi 197 oxygen meter (WTW, Germany).

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.The morphology of cells and their aggregates was examined on an Olympus CX41 microscope with phase contrast (Olympus, Japan). Phosphate-accumulating bacteria in the microbial community were determined by the presence of phosphorus-containing granules in the cells. The number of cells (% of the cell composition of the entire community) containing various inclusions was determined based on the average value obtained by counting cells in 80 fields of view.

Было исследовано четыре образца активного ила:Four samples of activated sludge were examined:

(1) из промышленного биореактора по удалению органического вещества, аммония и фосфора (Люберецкие очистные сооружения, г. Москва). Данный образец использовался для загрузки лабораторной установки.(1) from an industrial bioreactor for the removal of organic matter, ammonium and phosphorus (Lyubertsy Wastewater Treatment Plant, Moscow). This sample was used to download a lab setup.

(2) ила, отобранного из лабораторного биореактора на 8й день с момента его пуска.(2) sludge sampled from the laboratory bioreactor on the 8th day from the moment of its start-up.

(3) ила, отобранного из лабораторного биореактора на 15й день с момента его пуска.(3) sludge sampled from the laboratory bioreactor on the 15th day from the moment of its start-up.

(4) ила, отобранного из лабораторного биореактора на 22й день с момента его пуска.(4) sludge taken from the laboratory bioreactor on the 22nd day from the moment of its start-up.

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).During the process, the phosphorus content in the water purified in the bioreactor was determined, as well as the composition of the microbial community using metagenomic methods of molecular biology (Mardanov AV 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).

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-PO4/л, что соответствовало 50% удаления фосфора из поступающей среды (см. фиг. 2 и табл. 1).The content of suspended matter in the bioreactor after its inoculation with activated sludge was 3.4 g / L, pH 8.5. During the first 15 days, the suspension weight decreased to 0.2 g / l. After 15 and up to 22 days of operation, the concentration of microbial biomass and the pH value of the aqueous phase in the reactor were at a constant level, which indicated the stabilization of its operation. At the same time, there was a gradual decrease in the content of phosphates in the aqueous phase of the reactor. On the 5th day of cultivation, the difference between the amount of phosphates in the original medium and the bioreactor drain water was 4.9 mg / l. By the 8th day, this figure increased 1.5 times (up to 7.2 mg / L), and by the 22nd day it was 11-12 mg P-PO 4 / L, which corresponded to 50% of phosphorus removal from the incoming medium (see. Fig. 2 and Table 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.At the same time, the specific activity of the activated sludge biomass increased 17 times, which indicates the efficiency of the increase in the activity of FAO and an increase in their share in the microbial community of the activated sludge.

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

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.This example illustrates the technical feasibility and efficiency of wastewater treatment using the developed technology - using a modified SBR-type reactor. As can be seen from table 1, carrying out the process under the conditions of the prototype is much less effective than under the conditions of the claimed method.

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.It is important that the phosphate-accumulating microbial community cultivated under the stated conditions turned out to be 2 times more active than in the prototype, and it was obtained in just 2 weeks, whereas usually the commissioning period takes up to several months.

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).Comparison of the results of water purification, obtained by the technology developed by us, with the results of water purification by the known technology, showed an increased efficiency of phosphorus removal by the proposed method. In particular, the concentration of phosphorus in wastewater is usually 4-8 mg / L and decreases to concentrations below 1 mg / L. At the same time, the concentration of activated sludge in industrial aeration tanks, as a rule, is in the range of 3-4 g / l, which, taking into account the residence time of 12 hours, gives the value of the specific activity of biomass for removing phosphorus not more than 0.2 mg P / g sludge * h. Under the conditions of the implementation of the proposed method, the specific activity was 0.85 mg P / g sludge * h (4 times higher than in industrial aeration tanks).

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.The calculated specific activity of the activated sludge biomass in the prototype method after 3 weeks is 0.38 mg R / g sludge * h (Table 2), that is, 2 times lower than the proposed method.

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.The obtained technical result is directly related to the fact that we have identified the conditions for the implementation of the proposed purification method: the sequence of stages and their parameters, indicated above, in which the microbial community is cultivated, containing new dominant representatives of FAO with increased activity.

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.Molecular biological methods made it possible to trace the dynamics of the development of the microbial community and determine the dominant representatives of FAO. In the activated sludge of the treatment plant, which we used as an inoculant, the well-known FAO of the family Rhodocyclaceae - Ca were identified. Accumulibacter, which are considered representative of this physiological group, typical of sewage treatment plants.

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.However, during the implementation of the method, the proportion of the original microorganisms decreased. By the time of the most effective phosphorus removal by the microbial community (22 days), the original Candidatus "Accumulibacter phosphatis" bacteria were not identified in the composition. After the aeration stage in the absence of the precipitation stage, representatives of the Rhodocyclaceae family, belonging to the genera Dechloromonas and Zoogloea, were formed as the dominant group in the community, the proportion of which increased during the operation of the reactor as much as possible in comparison with other bacteria and reached 22% of the number of all bacteria. It is these bacteria that are included in the aggregates, the size of which, when excluding the precipitation stage, does not exceed 25 microns, provide a higher rate of phosphorus removal from waste water, i.e. increased process efficiency.

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.The proposed method with a modified cyclic sequential-periodic carrying out of the stages of cultivation of the microbial community makes it possible to cultivate new FAOs with increased activity and are a promising tool for the further development of biotechnologies for the removal of phosphorus from aqueous media. In addition, the method developed by us can be used for the cultivation of new FAO representatives in significant quantities.

Изобретение расширяет ассортимент эффективных способов биологической очистки водных сред от загрязнений соединениями фосфора.The invention expands the range of effective methods for biological purification of aqueous media from contamination with phosphorus compounds.

Claims (3)

1. Способ биологической очистки сточной воды от фосфатов в биореакторе последовательно-периодического действия типа SBR, включающий стадию подачи в биореактор сточной воды и активного ила, обогащенного фосфат-аккумулирующими организмами (ФАО), стадию создания анаэробных условий путем продувания реактора азотом длительностью 5 мин, стадию анаэробного роста ФАО с использованием ацетата в качестве источника углерода, которую проводят при перемешивании, рН среды 8,5-8,7 и температуре 18-20°С, стадию роста ФАО в условиях аэрации воздухом при интенсивности, обеспечивающей концентрацию кислорода в среде 2-3 мг/л в течение 3 ч, с формированием микробного сообщества, характеризующегося наличием агрегатов размером, не превышающим 25 мкм, содержащих ФАО семейства Rhodocyclaceae, относящиеся к родам Dechloronomas и Zooglea, и следующей за аэрацией стадией вывода очищенной гомогенной водной среды, осуществляемой в отсутствие осаждения и концентрирования активного ила в биореакторе. 1. A method for biological purification of waste water from phosphates in a bioreactor of sequential-periodic action of the SBR type, including the stage of feeding waste water and activated sludge enriched in phosphate-accumulating organisms (FAO) into the bioreactor, the stage of creating anaerobic conditions by blowing the reactor with nitrogen for 5 minutes, the stage of anaerobic growth of FAO using acetate as a carbon source, which is carried out with stirring, the pH of the medium is 8.5-8.7 and a temperature of 18-20 ° C, the stage of growth of FAO under conditions of aeration with air at an intensity that ensures the concentration of oxygen in medium 2 -3 mg / L for 3 h, with the formation of a microbial community characterized by the presence of aggregates not exceeding 25 μm, containing FAO of the family Rhodocyclaceae belonging to the genera Dechloronomas and lack of sedimentation and concentration of activated sludge in the bioreactor. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вывод очищенной водной среды из биореактора производят через n 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 предпочтительно n=4. 2. The method according to claim 1, characterized in that the withdrawal of the purified aqueous medium from the bioreactor is performed after n cycles, consisting of the stages of anaerobic and aerobic growth of FAO, while the volume of the withdrawn aqueous medium is equal to the total volume of the medium to be purified supplied for n cycles, where preferably n = 4. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при запуске биореактора подают активный ил из сооружений биологической очистки сточных вод от фосфора, содержащий известные ФАО семейства Rhodocyclaceae - Са. Accumulibacter.3. The method according to claim 1, characterized in that when the bioreactor is started, activated sludge is supplied from biological wastewater treatment plants for phosphorus removal, containing the known FAO of the Rhodocyclaceae family - Ca. Accumulibacter.
RU2020125577A 2020-07-24 2020-07-24 Method for biological purification of waste water from phosphates RU2753657C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020125577A RU2753657C1 (en) 2020-07-24 2020-07-24 Method for biological purification of waste water from phosphates

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020125577A RU2753657C1 (en) 2020-07-24 2020-07-24 Method for biological purification of waste water from phosphates

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2753657C1 true RU2753657C1 (en) 2021-08-19

Family

ID=77349335

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020125577A RU2753657C1 (en) 2020-07-24 2020-07-24 Method for biological purification of waste water from phosphates

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2753657C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
КОТЛЯРОВ Р.Ю. и др. Новые фосфат-аккумулирующие бактерии, обнаруженные в установке для очистки сточных вод от фосфатов. Микробиология, 2019, т.88. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cheng et al. Correlation of microbial community structure with pollutants removal, sludge reduction and sludge characteristics in micro-aerobic side-stream reactor coupled membrane bioreactors under different hydraulic retention times
Amini et al. Municipal wastewater treatment by semi-continuous and membrane algal-bacterial photo-bioreactors
US4127447A (en) Biomass growth restriction in a packed bed reactor
Jiang et al. Effects of hydraulic retention time on process performance of anaerobic side-stream reactor coupled membrane bioreactors: kinetic model, sludge reduction mechanism and microbial community structures
Yang et al. Impacts of sludge retention time on the performance of an algal-bacterial bioreactor
CN106006948B (en) Using sucrose as the activated sludge acclimatization method of the micro- aeration degradation 2,4- Dichlorophenol of co-substrate
JP2008284427A (en) Apparatus and method for treating waste water
CN102219297A (en) Rapid culture method of aerobic granular sludge
CN1154616C (en) Method and installation for treating waste water from oil seed and cereal processing
CN102079578A (en) Method for quickly enriching phosphorus accumulating organisms (PAOs) in activated sludge
CN102583927A (en) Sludge micro oxygen hydrolytic acidizing method
CN105753270A (en) Water purifying system suitable for high-ammonia nitrogen livestock and poultry breeding wastewater
Yuan et al. Aerobic granular sludge formation based on substrate availability: Effects of flow pattern and fermentation pretreatment
CN106116021A (en) The method of wastewater treatment of organics removal, nitrogen and phosphorus while of a kind of
CN214880538U (en) Device for rapidly culturing aerobic granular sludge and treating low-carbon-ratio urban sewage
Lin et al. Solving the problem of high concentration aniline inhibiting nitrogen removal: starting the SBBR with the prolonged aeration mode
CN113149213A (en) Device and method for rapidly culturing aerobic granular sludge and treating low-carbon-ratio municipal sewage
RU2753657C1 (en) Method for biological purification of waste water from phosphates
CN106947711A (en) A kind of high applicability nitrifies the preparation method of microbial inoculum
Aimale-Troy et al. Effect of dissolved oxygen concentration on activated sludge bacterial community and oxygen uptake rate in a SBR using co-produced oxygen from a PEM hydrogen electrolyser
Comett-Ambriz et al. Comparison of the performance of MBBR and SBR systems for the treatment of anaerobic reactor biowaste effluent
WO2022264164A1 (en) A system and a process for simultaneous removal of ammoniacal nitrogen and oxidizable carbon (bio-sac) from wastewaters
Cong et al. Vertical baffled reactor promoting aerobic sludge concentration for effective remediating unstable–load domestic wastewater: Performance, microbial properties and mechanism
Shieh et al. The intrinsic kinetics of nitrification in a continuous flow suspended growth reactor
Wang et al. Study on the stability of aerobic granules in a SBAR–effect of the superficial upflow air velocity and carbon source