Инновационные подходы к очистке сточных вод от соединений азота в локальных очистных сооружениях



Приведен обзор современных способов очистки сточных вод от соединений азота. Рассмотрены преимущества и недостатки данных методов, а также приводятся характеристики очистки сточных вод от соединений азота с помощью иммобилизованной микрофлоры.

Ключевые слова: очистка, сточные воды, соединения азота, иммобилизованные микроорганизмы, биопленка

Вследствие перспективного развития малых форм бизнеса, в настоящее время отмечается стремительный рост малых предприятий сельскохозяйственной, пищевой, легкой промышленности. Любой технологический процесс непременно требует затрат того или иного количества воды. Вследствие ее использования возникают стоки специфического состава, которые необходимо утилизировать.

Экономически целесообразно размещать малые предприятия в сельской местности, лишенной централизованной канализационной системы, следовательно, предприятию приходится организовать свои локальные очистные сооружения (ЛОС). Классическая схема очистки сточных вод (Йоханнесбургский процесс) в условиях ЛОС не приемлема по следующим причинам: во-первых, сток имеет специфический состав, значит, технология очистки должна разрабатываться конкретно для данного предприятия, а во-вторых, неравномерность стока требует временных колебаний в работе ЛОС, что негативно сказывается на режимах работы и требует повышенной эксплуатации.

Одним из современных способов очистки сточных вод в мире является биологический (в разных модификациях). Рассмотрим некоторые инновационные способы биологической очистки стоков, применимых в условиях ЛОС малых предприятий.

В настоящее время системы биологической очистки сточных вод должны обеспечивать удаление биогенных элементов. Данное положение закреплено в постановлении ХЕЛКОМ, в котором Россия и другие страны Балтийского региона взяли обязательства по сокращению сброса соединений азота и фосфора [1].

В основе биологической очистки лежат два принципа:

1. Способность микроорганизмов превращать примеси воды в биомассу клетки и внеклеточные продукты
2. Способность микроорганизмов синтезировать биофлокулянты и с их помощью образовывать многоклеточные агрегаты, легко отделимые от воды.

В общем виде процесс биологической очистки можно выразить следующей схемой

Рис. 1. Схема биологической очистки сточных вод (по Большакову Н. Ю.) [1]

Биологическая очистка сточных вод способствует также получению альтернативных видов топлива, поскольку во многих случаях продуктами реакции является биогаз (смесь CO₂ и CН₄ в соотношении 1:3). Доказано, что, в зависимости от содержащихся в сточной воде органических веществ, изменяется также состав биогаза и доля метана в ней. Такие ее компоненты, как углеводы, белки, жиры имеют выход биогаза 0,83; 0,72; 1,43 (см³/г), в котором доля метана составляет (%) 50; 71; 70 соответственно.

Во всем мире принято два подхода к биологической очистке сточных вод, целью которых является создание благоприятных условий для биодеградации загрязнений. Удаление загрязняющих веществ может происходить как в аэробных условиях, так и в анаэробных условиях [5].

Обработка сточных вод возможна с использованием микробных агрегатов 3 типов:

1. статические (в биофильтрах),
2. в виде макрочастиц (в реакторах с псевдоожиженным слоем),
3. флоккулы (в активном иле) [4].

Для ускорения процессов очистки и восстановления водных экосистем необходимо использовать биологические резервы не только микробных сообществ и биоценозов [7].

В аэробных условиях используется активный ил (или биопленка), которые представляют собой скопление разнообразных микроорганизмов, видовой состав которых зависит от конкретных экологических условий.

Азот — один из макроэлементов для всего живого. В сточных водах азот представлен в основном в виде минеральных (NH₄⁺, NO₂^-, NO₃^-) и органических (аминокислоты, белки, органические соединения) составляющих. Процесс распада биологически связанного азота до NH₄⁺ эффективно протекает в аэротенках и биологических прудах. Часть азота включается в органические вещества биомассы активного ила, а часть поступает в сточную воду в виде NH₄⁺, в результате происходит вторичное загрязнение аммонийным азотом.

В виде аммиака, аммония или мочевины азот присутствует в сточной воде на 80–90 %. Соединения азота в хозяйственно-бытовые сточные воды поступают преимущественно вместе с продуктами жизнедеятельности человека. В среднем, концентрация азотсодержащих соединений находится в пределах от 15 до 60 мг/л азота [6]. Таким образом, одной из задач очистки сточных вод становится удаление соединений азота. Бактерии способны превращать данные формы азота в иные неорганические формы.

Но традиционные методы очистки сточных вод не всегда гарантируют достаточный уровень удаления азота и к тому же требуют капитальных и эксплуатационных затрат, внесения дополнительных субстратов и высокого энергопотребления [6].

Мировые тенденции в развитии биотехнологии в области водоочистки от неорганических соединений азота состоят в разработке новых низко нагружаемых и высокоэффективных технологий очистки, которые реализуются в соответствии с принципами современного развития [16].

Наиболее распространенные технологии деградации соединений азота свободноплавающей биомассой приведены в таблице:

Таблица 1

Сравнительная характеристика современных способов очистки сточных вод от соединений азота

Технология	Преимущества	Недостатки
Анаэробное окисление аммония (ANAMMOX®)	Снижение энергетических затрат на проведение процесса в сравнении с традиционным процессом нитрификации-денитрификации на 60–90 % [11]. Отсутствие дополнительного источника углерода. Уровень образования углекислого газа снижается до 90 %. Уменьшение количества образования избыточного ила [16].	Длительное накопление активной биомассы, требуется запуск биотенка до периода активной эксплуатации
Нитритация-денитритация (SHARON®)	Технология не требует рециркуляции ила [13].	Необходимость поддержания высоких температур ˃ 26 С. Необходим дополнительный углеродный субстрат (метанол)
Частичная нитритация совместно с анаэробным окислением аммоний в двух разрозненных реакторах (SHARON® — ANAMMOX®)	Технология не требует дополнительного углеродного субстрата. Высокая степень удаления азота	Требуется значительные территориальные и энергетические затраты на размещение реакторов и их обслуживание
Нитрификация-денитрификация с лимитированной аэрацией (OLAND)	Возможно применение в оборотном реакторе или в условиях мембранного биофильтра	Присутствует процесс восстановления нитратов
Частичная нитритация совместно с анаэробным окислением аммония (CANON)	За счет образования совместной культуры аннаммокс бактерий и аэробных бактерий достигается высокая степень удаления азота в одном реакторе	Необходимость аэрации стока и контроль содержания растворенного кислорода
Соединение денитрификации и анаэробного окисления аммония (DEAMOX)	Позволяет очищать сток с высокой концентрацией азотных соединений и органики [8,12].	Незначительные экономические затраты вследствие отсутствия процесса аэрации [8,12].
Объединение частичной нитрификации, анаэробного окисления аммония и денитрификация (SNAD)	Позволяет очищать сток с высокой концентрацией азотных соединений [8,12].
Стимуляция нитрификации (BABE)	Возможно достижение полной нитрификации при незначительном пребывании активного ила [8].	Процесс требует наличия реактора для культивирования нитрифицирующих бактерий, в котором необходимо поддерживать высокую температуру
Денитрификация с использованием метана, как электронодонора (N-DAMO)	Совместно с анаммокс процессом данную технологию можно использовать при очистке стоков содержащих большое количество аммонийных солей и растворенного метана	Высокая пожаро- и взрывоопасность
Нитрификация-денитрификация в микробных топливных элементах	Данная технология позволяет использовать двойной аэробный и анаэробный катод, что позволяет производить электроэнергию [17].	Значительные финансовые затраты на эксплуатацию катода
Нитрификация в мембранных биореакторах	Позволяет осуществлять полную нитрификацию при условии даже низких температур. Данная технология также позволяет повысить возраст ила до 15 суток. Позволяет очищать стоки в условиях повторного рецикла [342].	Данная технология требует повышенных капитальных затрат на эксплуатацию мембран.

Одним из перспективных путей интенсификации процесса нитрификации-денитрификации является использование прикрепленных микроорганизмов в виде биопленки. На сегодня существуют различные системы очистки сточных вод от соединений азота с использованием прикрепленных биомасс. Они отличаются друг от друга принципом работы. Так, существуют биореакторы с движением воды относительно неподвижного материала загрузки, а также с движением загрузки относительно воды. Движение воды может обеспечиваться как сверху вниз, так и снизу вверх. Европейское поколение затопленных биофильтров (фильтры В2а) с многослойной фиксированной загрузкой успешно применяется для 2-й и 3-й ступеней очистки.

Биопленки представляют собою сложные сообщества микроорганизмов, прикрепленных к поверхности [10]. Эти микробные сообщества часто состоят из нескольких видов, которые помогают друг другу разрушать сложные органические соединения, попадание которых в водную среду крайне нежелательно [3].

На наружной поверхности биопленок находятся аэробные микроорганизмы, выделяющие гидролитические ферменты. В состав более глубоких слоев биопленок входят микроорганизмы, генерирующие и потребляющие водород, а также микроорганизмы брожения. Последние производят органические кислоты, используемые производителями водорода, и получают от них углерод и энергию за счет использования различных сахаров. В дополнение к метаболическим взаимодействиям между микроорганизмами, они выделяют сигнальные молекулы, которые обеспечивают меж- и внутривидовую коммуникацию. Эти особенности микроорганизмов, а также факторы окружающей среды способствуют пространственной организации биопленки [9].

На формирование биопленок большое влияние имеют геометрия и структура поверхности. Грубые и пористые поверхности в большей степени способствуют формированию биопленки. Образование биопленки ускоряется на пластиках с гидрофобной поверхностью. Полимерные носители высокой плотности (полистирол, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и полиметилметакрилат-метакрилат) обладают хорошей гидрофобностью и полярностью поверхностного заряда, что способствует формированию биопленок. Но лучшими свойствами для формирования биопленок обладает полипропилен [15].

Из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1) Наиболее экономически целесообразным методом очистки сточных вод от соединений азота в условиях ЛОС является биологический с использованием иммобилизованного биоценоза.

2) Для наиболее полной биодеградации компонентов сточных вод малых предприятий необходимо использовать специально подобранную ассоциацию микроорганизмов.

3) На эффективность очистки сточных вод с помощью биопленки влияет материал носителя. Полимерный носитель наиболее благоприятен для иммобилизации микрофлоры.

Литература:

1. Большаков Н. Ю. Биологическая очистка городских сточных вод / Н. Ю. Большакова. Из-во Политехнического университета, 2008
2. Лыков И. Н., Логинов А. А., Кулишов С. А. Использование процессов биосорбции для повышения эффективности очистки сточных вод и предотвращения экологического ущерба // Вестник Калужского университета. 2014. № 3. С. 5–10.
3. Лыков И. Н., Шестакова Г. А. Микроорганизмы. Биология и экология. — Калуга: Издатель Захаров С. И. («СерНа»), 2014. 400 с.
4. Максимова Ю. Г. Микробные биопленки в биотехнологических процессах //Биотехнология, 2013-№ 4
5. Синицин А. П., Райнина Е. И., Лозинский В. И., Спасов С. Д. Иммобилизованные клетки микроорганизмов. Из-во МГУ, 1994 г.
6. Швед О. М., Петрунина Р. О., Карпенко О. Я., Новіков В. П. Сучасні технології вилучення азоту зі стічних вод // BIOTECHNOLOGIAACTA, V.7, № 5–2014
7. Яневич М. И. Формирование ремедиационных биоценозов для снижения антропогенной нагрузки на водные и почвенные экосистемы. Авторефератдисс. Д.б.н., М: 2002
8. Bertino A. Studyon on onstage partial nitrotation-anammox in moving bed, biofilm reactors: asustainable nitrogen removal (Master thesis). Available at: http//www.2lwr.kth.se/Publikationer/PDF_Files/LWR_EX_11_05. pdf (accessed 14 Oktober 2014)
9. C. Nicolella, M. C. M. van Loosdrecht, J. J. Heijnen Wastewater treatment with particulate biofilm reactors // Journal of Biotechnology 80 (2000) 1–33.
10. Donlan R. M. Biofilms: Microbial Life on Surfaces // Emerg Infect Dis. 2002 8(9): 881–890.
11. Op den Camp H. J., Kartal B. Guvend van Niftrik U.F and al Clobal impact and application of the anaerobic ammonium-oxidizing (anammox) bacteria. Biochemical Society Transactions, 2006, V.34, P.174–178
12. Sablii L. A., Zhukova V. S., Modern biotechnologies of ammonium removal from wastewater. Visnyk NUVHP. 2010. 1(49). 25–31 (In Ukrainian)
13. Schmidt T., Sliekers O., Schmidt M., Bock E., Fuerst Y. A., Kuenen J. G. 14. Jettem M. S., Now concepts of microbial tveant processes for the nitrogen removal in wastewater. FEMS Microbiology Reviews. 2003, V. 27., P. 481–492
14. Sofia Andersson (2009): Characterization of Bacterial Biofilms for Wastewater Treatment. School of Biotechnology, Royal Institute of Technology (KTH), Sweden. http://www.diva-portal.org/smash/get/
15. Van derVleuten-Balkema A.J Sustainable wastewater treatment, developing a methodology and selecting promising systems (Doctoral dissertation). Available at:http//Alexandria.tue.nl/exta2/200312971 (accesset 14 October 2014)
16. Zhang F., He Z. Simmulataneous nitrification and denitrification with electricity generation in dual-catode microbial fuel cells. J. Chem. Technol. Biotechnol. 2012. V.87