Биоконверсия соединений азота и фосфора в процессе биофильтрации сточных вод и их доочистки погруженными макрофитами

Кирилина, Татьяна Владимировна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Биоконверсия соединений азота и фосфора в процессе биофильтрации сточных вод и их доочистки погруженными макрофитами
ВАК РФ 03.01.06, Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации по теме "Биоконверсия соединений азота и фосфора в процессе биофильтрации сточных вод и их доочистки погруженными макрофитами"

На правах рукописи

КИРИЛИНА ТАТЬЯНА ВЛАДИМИРОВНА

биоконверсия соединений азота и фосфора в процессе биофильтрации сточных вод и их доочистки погруженными макрофитами

(о

03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4852535

1 СЕН 2011

Казань - 2011

4852535

Работа выполнена на кафедре промышленной биотехнологии ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сироткин Александр Семенович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бирюков Валентин Васильевич

доктор биологических наук, профессор Багаева Татьяна Вадимовна

Ведущая организация:

ГБУ «Институт проблем экологии и недропользования» Академии наук Республики Татарстан, г. Казань

Защита диссертации состоится 14 сентября 2011 г. в 15:30 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.080.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, зал заседаний Ученого Совета (А-330).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технологического университета.

Электронный вариант автореферата размещен на сайте Казанского национального исследовательского технологического университета (www.kstu.ru).

Автореферат разослан « » ЪуС/п(\ 2011 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Сироткин А.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность разработки и развития биотехнологических методов глубокого удаления из сточных вод биогенных элементов определена необходимостью предотвращения и сдерживания прогрессирующего эвтрофирования поверхностных водоёмов, являющегося серьезной экологической проблемой как в России, так и за рубежом.

Возможность создания различных условий культивирования микроорганизмов для осуществления сложных многостадийных процессов биологического потребления азота и фосфора, а также реализация современных тенденций к созданию компактных и эффективных систем водоочистки обусловливают преимущества использования биофильтрационных процессов в качестве самостоятельной ступени очистки, а также в сочетании с доочисткой сточных вод высшими водными растениями.

Приоритетным направлением в области исследования процессов очистки сточных вод является выявление закономерностей процессов биологического превращения субстрата - соединений основных биогенных элементов с анализом условий развития различных групп микроорганизмов в биоценозе очистного сооружения и, как следствие, разработка новых перспективных биотехнологий очистки сточных вод.

Работа выполнена при поддержке аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки РФ "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 г.г.)" и научно-исследовательской стипендии Германской службы академических обменов (DAAD) (2010-2011 г.г.).

Цель работы состоит в исследовании процессов биоконверсии соединений углерода, азота и фосфора в биотехнологиях глубокой очистки коммуначьно-бытовых сточных вод с использованием иммобилизованной биомассы и высших водных растений.

Д ля достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• оценить эффективность процесса биофильтрации коммунально-бытового стока при различных значениях времени пребывания воды в системе и режимах аэрации;

• исследовать непрерывный процесс биофильтрации коммунально-бытового стока с анализом биоконверсии на основании данных о кинетике роста биомассы, дыхательной активности микробных клеток, потреблении субстрата и накоплении продуктов метаболизма;

• охарактеризовать распределение микроорганизмов, участвующих в процессах биотрансформации соединений азота в процессе биофильтрации, с их идентификацией методом флуоресцентной in situ гибридизации (FISH);

• оценить эффективность доочистки сточных вод макрофатами p. Ceratophyllum;

• сформулировать технологические рекомендации по эффективной биоконверсии углерода, азота и фосфора в процессах биофильтрации с дальнейшей доочисткой высшими водными растениям.

Научная новизна работы. Выявлены закономерности развития нитрифицирующего микробиоценоза в условиях длительной бнофильтрации коммунально-бытового стока с оценкой процессов биоконверсии азота.

Впервые в условиях аэрируемой биофильтрации наряду с нитрифицирующими бактериями идентифицированы анаэробные микроорганизмы - денитрифицирующие и анаммокс-бактерии, участвующие в процессах комплексной биогрансформации соединений азота. Получены новые качественные и количественные данные их пространственного распределения в процессе биофильтрации.

Экспериментально изучены закономерности процесса биодефосфотации, применяемого в системах аэротенков, для биофильтрационной системы с затопленным слоем загрузки.

Практическая значимость. Предложена технологическая схема биоочистки коммунально-бытового стока с секционированным биофильтром в качестве основной ступени очистки и системы доочистки с погруженными макрофитами, обеспечивающая эффективность очистки по аммонийному азоту до 99,9 %, по фосфатам в среднем - 80 %.

Полученные результаты используются при разработке компактной высокоэффективной системы биоочистки коммунально-бытового стока, состоящей из биофильтра в качестве основной технологической ступени, а также ступени доочистки с погруженными макрофитами.

Выявленные закономерности являются основой для разработки рекомендаций к интенсификации работы действующих промышленных биофильтров и систем доочистки сточных вод высшими водными растениям.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссергшшонпой работы были доложены на конкурса студенческих научно-исследовательских работ «Жигь в XXI веке» (г.Казань,2006), I городской студенческой конференции «Междисциплинарные исследования в области естественных наук» (г.Казань,2008), IV Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (г.Казань,2008), научно-практической конференции «Инновационные подходы к естественнонаучным исследованиям и образованию» (г.Казань,2009), IV Межрегиональной конференции «Промышленная экология и безопасность» (г.Казань,2009), XIII международной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Кирпични-ковские чтения. Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» (г.Казань,2009), Московской международной научно-практической конференции «БИОТЕХНОЛОГИЯ: экология крупных городов» (г.Москва,2010), XI Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии» (г.Казань,2010), ежегодных научно-практических конференциях Казанского государственного технологического университета 2009-2010 гг. и на научных семинарах «DAAD. Michail-Lomonosov-Progremm 2010-2011» (г.Бонн,2010; г.Москва,2011). .

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 статьях в научно-технических журналах и сборниках, в том числе 3 - в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки Российской Федерации, а также в 10 тезисах докладов на конференциях различного уровня.

Личный вклад автора состоит в подборе объектов и методов исследований, проведении теоретических и экспериментальных исследований на всех этапах работы, обсуждении результатов, написании статей и тезисов, участии в конференциях.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 14 таблиц и 42 рисунков. Диссертация состоит из следующих разделов: введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Список литературы включает 195 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и задачи исследования.

В первой главе дана общая характеристика коммунально-бытовых сточных вод, проведен анализ традиционных и новых процессов биоконверсии соединений азота и фосфора, а также рассмотрены особенности применения для этих целей биофильтрационных систем и систем с высшей водной растительностью.

Во второй главе описаны объекты и методы исследований.

В качестве объектов исследований в диссертации были рассмотрены:

• сточная вода и ее модельный раствор в процессе биофильтрации;

• микробиоценоз биопленок поверхности загрузочного материала биофильтров;

• макрофиты в процессе доочистки сточных вод.

Экспериментальные исследования проводились .с использованием лабораторных установок, ключевым звеном которых являлись аэрируемые биофильтры с затопленным слоем загрузки. Биофильтры этого типа широко применяются для удаления соединений углерода и азота в области очистки коммунально-бытовых стоков (ОЬазЫ,1995; &1тоге,1999; РсЬ-Ро1апсо;2000, Яковлев,2002; СеменоваД)08; Ни,2010; У1^е,2011).

В качестве носителя биопленки и фильтрующего материала для загрузки биофильтров использовался керамзит. Большая удельная поверхность, наличие системы внутренних пор, доступность, низкая стоимость и биологическая нейтральность керамзита обусловливают распространенность его использования в качестве материала для иммобилизации (СЬиа,1996; УюгаЛЮ!; МеуегДЮО; Семенова,2008; ЯапигегДОЮ).

Инокуляция и накопление биомассы на керамзите осуществлялись путем циркуляции сточной воды в биофильтрационной системе либо выдерживанием загрузочного материала в сточной воде городских очистных сооружений в среднем

в течение 10 суток. По завершении пускового периода в биофильтр подавался модельный раствор сточной воды, основные компоненты которого соответствовали характеристике сточной воды (табл.1). Модельный раствор готовился с учетом присутствия в его составе важнейших макро- и микроэлементов (Huber, 1998). Далее под сточной водой будет пониматься её модельный раствор.

Таблица 1

Характеристика сточной воды и ее модельного раствора

Показатель Сточная вода Модельный раствор

ХПК, мг/дм3 100-160 100-340

БПК5* мг/дм3 65-100 65-225

N-NH4\ мг/дм3 18,1-38,5 12,1-40,0

N-N02\ мг/дм3 не более 1,2 не обнаружено

N-N03", мг/дм3 0,3-2,2 не более 2,2

Р043', мг/дм3 5,7-10,2 8,4-13,4

*БПК5 = 0,7БПК,

Температура поступающей на очистку воды не регулировалась и составляла 18-26 °С. Концентрация растворенного в воде кислорода варьировала согласно целям экспериментальных этапов (см. ниже).

В качестве высших водных растений для доочисгки сточных вод были выбраны макрофиты, встречающиеся в природных условиях Среднего Поволжья, -растения рода Ceratophyllum: роголистник темно-зеленый С. demersum и роголистник азетло-зеленый С. submersum. Роголистники относятся к полностью погруженным в воду растениям, что обуславливает большую поверхность их контакта с загрязняющими веществами, простоту сбора биомассы и способность использовать эти растения в зимний период (Савельева,2000; Горбунова,2010; Борисова.2011).

Количественное определение биологического потребления кислорода (БПК5), ионов аммония, нитрит-, нитрат- и фосфат-ионов производилось по стандартным методикам ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97, ПНД Ф 14.1.1-95, ПНД Ф 14.1:2.395, ПНДФ 14.1:2.4.-95, ПНД Ф 14.1:2.112-97 , DIN EN ISO 11732 и DIN EN ISO 26777, а также с помощью экспресс-тестов Dr. Lange (Германия).

Химическое потребление кислорода (ХПК) определяли методом бихромат-ной окисляемости, концентрацию растворенного кислорода - методом Винклера (Лурье.1974). Кроме того, концентрацию растворенного кислорода и pH измеряли с использованием мультифункиионального анализатора pH/Oxi 340i.

Кинетика роста биомассы оценивалась по разности веса биомассы образцов биопленки до и после ее сжигания (Lee,2004). Дыхательная активность микробных клеток биомассы рассчитывалась по скорости потребления кислорода единицей биомассы в условиях присутствия различных субстратов (Deneke,2003).

Идентификация микроорганизмов в составе биопленок производилась методом флуоресцентной in-situ гибридизации (FISH) (Pemthaiei\2002) с использованием селективных генных зондов для нитрифицирующих, денитрифицирующих и анаммокс-бактерий (Nieisen,2009). Для контроля всей совокупности микробных клеток в образцах биопленки использовалось окрашивание раствором 4',6' - диаяидино-2-фенштинаолдигидрохпорвда

Мякроскопирование образцов биопленок с отдельными шбридизированньгми и окрашенными культурами осуществлялось с помощью микроскопа Axioskop Carl Zeiss, Jena (Gennany) с применением прикладного программного обеспечения AxioVision 3.1 (Carl Zeiss; Vision GmbH, Bildanalyse Systeme) для обработки полученньк изображений.

Результаты экспериментальных исследований были обработаны с помощью пакета программ STAT1STICA 5.5 и Microsoft Excel для Windows ХР 2002.

В третьей главе проанализированы зависимости эффективности удаления соединений углерода, азота и фосфора из сточных вод от времени пребывания воды в системе и различных режимов аэрации в процессе биофильтрации.

Расчет сремени пребывания сточной воды в лабораторной биофильтрационной установке

Основной расчетной величиной, необходимой для конструирования реактора, является продолжительность нахождения воды в нем (Хенце,2004): AL

1 ra-(l -S)' где г - скорость окисления органического субстрата. Рассчитано, что г =1,9 мг/(г ч);

а - концентрация активной части биомассы. Принимаем, что для мелкозернистых затопленных биофильтров а =30 г/дм3; S - зольность биомассы. S = 0.3; AL - снижение БПК. Значение БПКполн бытовых стоков составляет в среднем 250 мг/дм3 (Жмур,20ЭЗ). Предполагается очистка дс- БПКП0ЛН = 2 мг/дм3.

Таким образом, оптимальным для окисления органического субстрата является:

248

1 1,9-30(1-0,3) 6'2~64

По результатам расчетов была смонтирована лабораторная установка, включающая в себя 5-секционнь;й биофильтр, 1-я, 3-я и 5-я секции которого заполнены керамзитом (рис. 1).

Рисунок 1 - Экспериментальная установка: Б - биофильтр; С - сборник поступающих на очистку сточных вод; К - компрессор для аэрации

Экспериментальное исследование процесса биофильтрации с различным временем пребывания воды в системе Непрерывный процесс биофильтрации осуществлялся на протяжении более 90 суток. На выходе из каждой секции концентрация растворенного кислорода составляла в среднем 2,6 мг/дм3.

По завершении пускового периода работы биофильтра, каждые трое суток процесса биофильтрации при относительно постоянных концентрациях аммонийного азота, фосфатов и органических веществ (БПК3) - 20 мг/дм3, 8 мг/дм3 и 225 мг/дм3, соответственно, изменяли продолжительность нахождения воды в реакторе.

На протяжении всего процесса биофильтрации, независимо от времени пребывания воды в системе, эффективность удаления органических веществ была отмечена выше 95 % (рис.2).

Далее было показано, что длительный 12-часовой контакт легко-окисляемых компонентов сточных вод с большим количеством биомассы в 1-й секции обусловливает субстратное голодание микробных клеток, их отмирание с последующим высвобождением клеточного органического вещества, аммонийного азота в результате аммонификации азотсодержащих компонентов клетки и фосфатов в процессе внеклеточного гидролиза внутриклеточных полифосфатов. При этом гетеротрофная биомасса последующих секций обеспечивает глубокую очистку от соединений углерода, но эффективность удаления фосфатов остается минимальной среди всего диапазона исследуемого времени пребывания, а эффективность удаления аммонийного азота - неоптимальной.

Эффективность удаления аммонийного азота (рис.2) связана с высокой длительностью процесса нитрификации и его чувствительностью к присутствию органических веществ в среде (Zhu,2001; Жмур,2003; Лысак,2007). Выяснено, что 3-часового пребывания сточной воды в биофильтре недостаточно для протекания процесса нитрификации - в очищенной воде концентрация азота нитратов не превышала в среднем 0,42 мг/дм3. Пребывание стока в биофильтре продолжительностью 6, 8 и 12 часов приводит к протеканию нитрификации с накоплением аюта нитратов в среднем в количестве 10.0 мг/дм3, 7,7 мг/дм3 и 6,2 мг/дм3, соответственно.

В 1,ПК5 □ N-NÄf Я РС>43'

3 6 8 12

Время пребывания, ч

Рисунок 2 - Зависимость эффективности удаления соединений углерода, азота и фосфора от времени пребывания сточной воды в системе

Сокращение времени пребывания сточной воды в системе приводит к повышению эффективности удаления фосфатов (Ьее,1998) (рис.2), однако экспериментально было выявлено, что 3-часового нахождения воды в системе недостаточно для обеспечения необходимого фосфатаккумулирующим организмам пребывания в анаэробных микрозонах объема биопленок и биофильтра (Ши,2009).

Таким образом, 6-часовое пребывание воды в системе является оптимальным как для биологического удаления азота и фосфора, так и для окисления органического субстрата, что коррелирует с расчетными данными для мелкозернистых затопленных биофильтров.

Экспериментальное исследование биофильтрации в различных режимах аэрации

Принцип биологической дефосфотации сточных вод основан на чрезмерном накоплении фосфатов факультативно аэробными фосфатаккумулирующими бактериями в биореакторе, с чередующимися аэробными и анаэробными условиями. В настоящее время процесс биологического удаления фосфора осуществляется только на станциях с активным илом, и большинство исследований проведены в этом направлении (0и1ек§ш^еп,2003: Ь1т,2000; Хенце,2004; ае-ВазЬап,2004). Оценка применения данного принципа в условиях непрерывной биофильтрации лежала в осноье проведения эксперимента с изменениями режимов аэрации.

Непрерывный процесс биофильтрации в ходе данного эксперимента продолжался на протяжении более 130-ти суток. Время пребывания сточной воды в системе изменялось от 6 до 7 часов.

Посекционные изменения аэрации осуществлялись на протяжении 3-х этапов (табл.2).

Таблица 2

Этапы экспериментальных исследований

Место отбора проб (выход из секции) Концентрация растворенного кислорода, мг/дм3

1 этап 2 этап 3 этап

Отключение аэрации во 2-й и 3-й секциях Аэрация всех секций Уменьшение аэрации вЗ-й секции

1-й 1,0

2-й 0,4 1,8

3-й 0.1 3,3 2,4

4-й 1,5 3,5 3,1

5-й 2,2 3,5

Эффективность удаления фосфатов на протяжении 40 суток биофильтрации с аноксическими и анаэробными условиями во 2-й и 3-й секциях биофильтра составляла в среднем 41 % (рис.3). При этом в анаэробных условиях 3-й секции происходило

увеличение концентрации фосфатов до 40 % от количества, удаляемого в аэробных условиях 1-й секции. Наблюдаемое «стрессирование» биомассы приводит к удате-нию фосфатов в последующих аэрируемых секциях, однако на выходе из биофильтра концентрация фосфатов отмечается выше, чем после прохождения 1-й секции биофильтра. Кроме того, поддержание продолжительных анаэробных условий в средней части биофильтра, являющееся необходимым условием формирования фосфатакку-мулирующего микробиоценоза в системе, является фактором, ингибирующим, в свою очередь, процесс развития нитрифицирующих бактерий во всей системе.

В условиях аэрации всей биофильтрационной системы, концентрация фосфатов, достигнутая после прохождения 1-й секции биофильтра, в последующих секциях практически не изменялась (рис.3). Эффективность удаления фосфат-конов в этих условиях достигала в среднем 53 % от их содержания в поступающей воде.

<*)

-3 в поступающая вода а вода во 2-й секции

^ I отключение аэрации аэрация всех секций уменьшение аэрации ! во 2-й и 3-й секциях 3-й секции

Время, сутки

Рисунок 3 - Посекционное изменение концентрации фосфатов в процессе биофильтрации сточной воды

Отмечено, что уменьшение концентрации растворенного кислорода в средней части биофильтра, в частности на 1 мг/дм3, приводит к повышению концентрации фосфатов в 4-й и 5-й секциях биофильтра в среднем до 35% от количества удаляемого в 1-м биофильтре.

На основании анатиза полученных результатов следует сделать вывод о предпочтении аэробных условий биофильтрации без создания дополнительных искусственных анаэробных (аноксических) зон в отдельных секциях биофильтра с затопленным слоем загрузки. При этом для эффективного удаления фосфат-ионов концентрация растворенного кислорода должна поддерживаться постоянной и (или) последовательно увеличиваться от секции к секции.

В четвертой главе исследовано непрерывное культивирование микроорганизмов биопленки в процессе биофильтрации сточных вод.

Основным преимуществом и особенностью биофильтров по сравнению с аэротенками является естественное соответствие субстрата микробиоиенозу биопленки. Качество и количество субстрата обуславливает формирование биоценоза по ходу потока и создание оптимальных условий для очистки сточных вод (Ивча-тов.2003). При этом практический и научный интерес; представляют исследования особенностей культивирования микроорганизмов биопленки в условиях длительной биофильтрации.

Экспериментальные исследования проводились на базе трех после, тельно соединенных биофильтров. В целом, система была подобна используемой на предыдущих этапах исследований (см. рис Л), отличалась лишь формой сечения биофильтров. Время пребывания сточной воды в системе изменялось в диапазоне от 6-ти до 7-ми часов. Концентрация растворенного кислорода составляла в среднем 1 мг/дм3, 2,3 мг/дм3 и 3,3 мг/дм3 на выходе из 1-го, 2-го и 3-го биофильтроз, соответственно. Непрерывный процесс биофильтрации продолжался на протяжении более 120 суток.

Анализ кинетики роста биомассы е процессе биофильтрации

В системах комплексного удаления соединений углерода, фосфора и азота

доминирующими микроорганизмами биоценоза являются гетеротрофные микроорганизмы, использующие органические вещества в качестве субстрата.

Исчерпание органического субстрата в процессе биофильтрации приводит к последовательному уменьшению количества гетеротрофных бактерий в объеме биофильтра и появлению условий для развития авто-трофных бактерий.

Экспериментально выявлено, что в среднем 86 % органических веществ удалялось уже в 1-м биофильтре, характеризуемым, соответственно, большим количеством биомассы (рис.4).

Изменение концентрации органических веществ в поступающем стоке принципиально отражается на количестве биомассы. На протяжении всего эксперимента соотношение биомассы в системе (биофильтр I: биофильтр 2 : биофильтр 3) в условиях БПК5 поступающего стока, равного 225 мг/дм3, составляло в среднем 6:3:1; БПК,, равного 150 мг/дм3 - 35:13:1 (рис.5).

200 175

-г 150

с,

125 100

75 50

25 0

а поступающая вода

о на выходе из 1 биофильтра

к на выходе из 2 биофильтра

«очищенная вода

Рисунок 4 - Кинетика концентрации органических веществ в системе трех последовательных биофильтров

Представленные на рис.5 данные показывают, что период первоначального накопления биомассы в системе биофильтров занимал от 30 до 35 суток от начала процесса культивирования.

Время, сутки

Рисунок 5 - Кинетика роста биомассы в объеме трех биофильтров в процессе непрерывной биофильтрации

Оценка дыхательной активности биомассы в биофильтрах

Оценка дыхательной активности автотрофных и гетеротрофных микроорганизмов свидетельствует об изменении их активности в объеме биофильтра в процессе биофильтрации.

Микробиоценоз 1-го биофильтра характеризуется гетеротрофной активностью (до 1,77 г02/(гАСБхсут), 3-го биофильтра - автотрофной (до 3,5 г02/(гАСБ*сут)). При этом максимальную для всей биофильтрационной системы дыхательную активность проявляют микроорганизмы 2-го биофильтра, где с одной стороны имеется органический субстрат для гетеротрофных бактерий с активностью до 3,0 г02/(гАСБ*сут), с другой стороны, автотрофные нитрификаторы с активностью до 4,0 г02/(гАСБхсут) не ингибируются количеством этого субстрата.

Существенную автотрофную активность микробмоценоз 1-го биофильтра проявлял лишь после 110-х суток непрерывной биофильтрации. Активизация гетеротрофных бактерии 3-го биофильтра, характеризуемых в процессе биофильтрации дыхательной активностью ниже активности микроорганизмов на начало экспериментальных исследований, соответствует времени уменьшения концентрации органических веществ в поступающем стоке.

Потребление субстрата и накопление продуктов метаболизма

Рассчитанные метаболические коэффициенты свидетельствуют о высокой физиологической активности биоценоза в период первоначального накопления биомассы в системе (табл.3). Было рассчитано, что эффективность удаления аммонийного азота и фосфатов составляла в среднем 97 % и 64 %, соответственно; при этом около 60 % и более 95 % от удаляемого количества аммонийного азота и

фосфатов, соответственно, потреблялось гетеротрофным микробиоценозом 1-го биофильтра для клеточного роста.

Таблица 3

Метаболические коэффициенты биомассы биофильтрационной системы

Время, сутки Микробное потребление субстрата. мг/(гАСБхсут)

субстрат

органические вещества (БПК5) аммонийный азот фосфор фосфатов

12 561,9* 45,2 4,3

19 493,7* 40,8 " 2.8

33 358,5* 29,5 2,6

41 417,6* 35,4 2,9

47 452,8* 42,7 2,1

62 287,4** 40.7 1,0

75 385,7** 52,9 -

84 474,9* 74.2 2,5

" 119 601,3* 78,1 2,2

* БПК.| = 225 мг/дм3, ** БПК5 = 150 мг/дм3

В последующие сутки основной вклад в удаление фосфатов продолжал вносить биоценоз 1-го биофильтра (рис.6).

- Поступающая вода

- На выходе из 2 биофильтра •

I"»

« 5

Q. Ь

S ° 3 о.

бпк5

225 иг/дм3

Б!1К>150 мг/дм3

- На выходе из 1 биофильтра -Очищенная вода

75 85

Время, сутки

Рисунок 6 - Кинетика концентрации фосфат-ионов в процессе биофильтрации

Изменение активности потребления фосфатов лимитировано физиологическими возможностями микроорганизмов биофильтрационной системы (табл.3).

В условиях постоянной нагрузки по БПК5, равной 225 мг/дм3, эффективность удаления фосфат-ионов составляла в среднем 58 %. Снижение БПК5 до 150 мг/дм3 привело к резкому уменьшению эффективности удаления фосфатов и превалированию процессов их высвобождения над потреблением. По истечении 35-ти суток биофильтрации микробиоценоз адаптировался к условия среды и эффективность потребления фосфатов при сниженной нагрузки по БПК5 составляла в

среднем 30 %. Увеличение содержания органических веществ до первоначального значения БПК5, привело к повышению эффективности дефосфотации до 45 %.

Рассматривая процесс очистки с точки зрения удаления аммонийного азота в системе, следует выделить характерные этапы длительной биофильтрации с изменением роли з потреблении аммонийного азота как гетеротрофных микроорганизмов, так и автотрофных нитрификаторов (рис. 7).

-*— Поступающая вода -х— На выходе из 1 биофильтра ------На выходе из 2 биофильтра Очищенная вода

Рисунок 7 биофильтрации

65 75 85 Время, сутки

Кинетика концентрации аммонийного азота в процессе

Эти этапы характеризуются следующими отличительными признаками:

• при нагрузке по БПК5=225 мг/дм3, 50% аммонийного азота удаляется гетеротрофными микроорганизмами в 1-м биофильтре;

• снижение нагрузки по БПК5 до 150 мг/дм3 приводит к смещению процесса потребления аммонийного азота преимущественно нитрификаторачи во 2-й биофильтр;

• дальнейшее увеличение нагрузки по БПК5 до первоначального значения отражается на смещении процесса нитрификации в 3-й биофильтр;

• на заключительных, этапах биофильтрации в процессах удаления аммонийного азопга в равной степени участвует микробиоценоз 1-го и 2-го биофильтров. При этом накопление азота нитратов в количестве более чем 5 мг/дм3 после прохождения 1-го биофильтра свидетельствует о смещении зон развития нитрификаторов на ранние этапы биофильтрационной системы.

Отмечено, что при нагрузке по аммонийному азспу, равной 30 мг/дм3. эффективность его удаления достигала 99% в системе, для которой метаболическая активность биомассы составила более 78 мг N-NH^r АСБхсуг), что более чем в 2,5 раза превышает активность биомассы, достаточную для глубокого удаления аммонийного азота и системе с его концентрацией в поступающем стоке, равной 20 мг/дм3 (табл.3).

В целом, в процессе длительной биофильтрации наблюдалось постепенное увеличение активности микроорганизмов в отношении потребления аммонийного азота (табл.3), что связано с накоплением в системе медленнорастущих нитрификаторов и

увеличении их роли в процессах удаления аммонийного азота, о чем свидетельствует, в частности, увеличение значений коэффициентов нитрификации Км (табл.4).

Таблица 4

Балансовые соотношения форм азота в процессе бнофильтраиии

Время, сутки Начальная концентрация, мг/дм3 Количество удаленного N-NHj+, мг/дм3 Kjvj 'Количество удаленного N-Nllf, мг/дм'

бпк5 NWtf Общее Автотрофное биоокислние КоНСфуктивный обмен •; ■Дэугие: ' промессы

12 225 17,75 17,19 4,54 0,26 V 11,65 1,00 < ,

19 19,70 19.14 3,75 0,20 11,65 ' .......3.74-

27 19,91 19.52 3,87 0,20 11,65 4,0

47 225 31,91 26,43 6,50 0,25 11,65 8,28

54 150 29,46 25,37 9,29 0,37 7,76 8,27

62 31,12 21,08 10,76 0,51 7,76 2,51

84 33,89 25,22 12,45 , 0,49 7,76 4.96

105 225 29,88 22,98 9,70 0,42 11,65 1,63

119 29,07 28,14 14,03 0,50 11,65 2,46

Из данных таблицы 4 виден дисбаланс между общим количеством потребленного аммонийного азота, сводной стороны,- и количеством аммонийного азота, окисленного тарификаторами, и потребленного тетеротрофами, с другой стороны. При этом следует принимать во внимание биотрансформацию конечных продуктов нитрификации - нитратов в газообразные, продукты.'(молекулярный азот, оксиды азота (I) и (II)) в результате протекания процессов денитрификации или анаэробного окисления аммония (Апатшох-процесса).

Идентификация азоттрансформирующих бактерий микробиоценоза биопленок Результаты идентификации микроорганизмов в составе образцов биопленок

трех биофильтров методом FISH свидетельствует о возможности протекания комплекса процессов биотрансформации соединений азота в процессе аэробной биофильтрации.

Нитрифицирующие бактерии в составе образцов биопленок 3-х биофильтров представлены преимущественно микробными агрегатами аммонийокисляющих бактерий (АОБ) p.Niirosomonas (рис.8а) и шггритокисляющих бактерии (НОБ) р.Nitrospira (рис.8б).

В условиях 1-го биофильтра в процессе биофильтрации отмечалось постепенное увеличение количества (от одиночных до скоплений) и размеров(от 4 мкм до 18 мкм) микробных агрегатов АОБ и НОБ. Во 2-м биофильтре в процессе длительной биофильтрации микробиоценоз характеризовался увеличением размеров агрегатов АСБ до 35 мкм и увеличением количества микробных агрегатов НОБ в десятки раз. В 3-м биофильтре в течение 40 суток от начала биофильтрации

а б

Рисунок 8 - Микробные шрегагы: а - АОБ р. Ь'Игояотопаз (генный зонд Ыяэ 1225); б - НОБ р. М'ггдарг'гя (генный зонд Мира 712).

наблюдалось увеличение размеров микробных агрегатов АОБ и НОБ в среднем в 1,5 раза. В последующие сутки были обнаружены лишь отдельные мелкие микробные агрегаты (до 4 мкм) и бактериальные клегки.

Результаты количественной идентификации свидетельствуют о том, что численность нитрифицирующих бактерий на порядков ниже, чем гетеротрофных бактерий, а количество НОБ в системе превосходит количество АОБ в среднем в 4,5 раз.

При этом наибольшее количество нитрификаторов обнаружено во 2-м биофильтр«.

В системе трех аэрируемых биофильтров были идентифицированы денитрифицирующие бактерии рр. СиЫЬааег (рис.9а), Аюагсиз.

Наибольшее количество денитрификаторов обнаружено в составе биопленок 2-го биофильтра В целом, количество денитрификаторов рр. СигвШа&ег, Агоагст в системе уступает количеству нитрификаторов рр. №¡гоютопаБ, Nitrospira в 2 раза

Кроме того, в составе биоценоза всех трех биофильтров были идентифицированы отдельные бактериальные клетки облигатных анаэробов ВгосасНа ажттахМктх и Киепепш иы^агйети, отличающихся характерной для анаммокс-бактерий «бубликообразной» формой (рис. 96). Наибольшее количество анаммокс-бактерий обнаружено в составе образцов биопленок 1-го биофильтра В процессе экспериментальных исследований, количество анаммокс-бактерий в 1-м и 2-м биофильтрах увеличилось в среднем в 2 раза, а в составе микробиоценоза 3-го биофильтра на 119-сутки они не были идентифицированы. При этом в системе, в целом, анаммокс-бактерий в 4,2 раза меньше, чем денитрификаторов.

а б

Рисунок 9 - Бактериальные клетки: а -р.СиЫЬас1ег (генный зонд Сит 997); б - ВгосасНа апаттохШаю и Киепета sluttgartiensis (генный зонд Атх 820)

В пятой главе была оценена возможность доочистки сточных вод, прошедших стадию основной биологической очистки в биофильтре, макрофитами р. СегаЮрИуНит.

Доочистка проводилась в проточном резервуаре (рис.10) в условиях естественной фотопериодичности. Состав поступающей воды поддерживался непостоянным с целью оценки работы системы доочистки в различных условиях и режимах эксплуатации биофильтра, в том числе при залповых нагрузках.

Экспериментальные исследования проводились в периодических условиях доочистки продолжительностью 24 часа, а также в непрерывных условиях доочистки (время пребывания 6-9 часов). В условиях непрерывной доочистки была отмечена большая способность роголистника к поглощению фосфатов и азота нитратов (табл.5), чем в периодических условиях, что связано с замедлением процессов поглощения в ночные часы и, в ряде случаев, преобладании процессов выделения соединений отдельных элементов в воду над их поглощением (Эйнор,1990). Очевидно, что указанные эффекты наиболее значительны для непроточной системы периодического (статического) культивирования организмов.

Таблица 5

Максимальная способность роголистника к поглощению биогенных элементов

Условия Поглощение, мг/(г*сут)

N-N03" Р043"

Периодические 0,27 0,09

Непрерывные 0,4! 0,13

Эффективность доочистки сточных вод от аммонийного азота, азота нитритов и нитратов составляла в среднем 99,5 %, 92,0 % и 40,0 %, соответственно. В условиях содержания в поступающей воде аммонийного азота, наблюдалось повышение концентрации азота нитратов в результате микробного окисления ионов аммония в нитраты (Е^ту, 1989: Савельева,2000). Обогащение микробиоценоза, развивающегося на поверхности растений в исследованной системе, обусловлено выносом микробных клеток, в частности, нитрифицирующих бактерий, с очищенной водой из биофильтра.

В процессе 6-9-часового пребывания воды в системе доочистки эффективность удаления фосфатов составляла в среднем 39 %. При этом отмечено стимулирование накопления растениями фосфатов увеличением концентрации последних в среде.

Таким образом, проведенные исследования подтверждают возможность эффективного использования проточной доочистки сточных вод погруженными

источник света

Рисунок 10 - Схема системы яоочистки

макрофитами р. СегшорИуИит в комплексе с биофильтрационной системой очистки благодаря способности роголистника к поглощению азота в форме аммония, нитритов и нитратов, а также фосфатов, обеспечивая тем самым повышение устойчивости системы очистки в условиях залповых сбросов и достижение норм для сброса соединений азота в водоем рыбохозяйственного назначения.

ВЫВОДЫ

1. Исследован процесс биофильтрации коммунально-бытового стока при различных значениях времени пребывания воды в системе. Определено, что 6-часовое пребывание обеспечивает наилучшую комплексную очистку сточных вод от соединений углерода, азота и фосфора.

2. Показано, что, в условиях проведения процесса очистки сточных вод в аэрируемых биофильтрах с плотным слоем загрузки, искусственная организация анаэробных зон не приводит к ожидаемому, согласно принципу биодефосфотации в аэротенках, повышению эффективности удаления фосфатов; кроме того, негативно влияет на процесс нитрификации.

3. Исследован непрерывный процесс очистки коммунально-бытовых сточных вод в аэрируемых биофильтрах с затопленным слоем загрузки с эффективностью удаления органических веществ до 98 %, аммонийного азота до 99,6 %, фосфатов - в среднем 41 %. На основании данных о кинетике роста биомассы, дыхательной активности микробных клеток, потреблении субстрата и накоплении продуктов метаболизма выявлены закономерности изменения эффективности удаления фосфатов и аммонийного азота в процессе непрерывной биофильтрации, связанные с первоначальным накоплением биомассы в системе, изменением нагрузки по БПК, амммийному азоту, а также естественным смещением зон развития биоценозов в условиях длительной биофильтрации.

4. Проанализировано пространственное распределение авто- и гетеротрофных микроорганизмов в объеме биофильтрационной системы в процессе биофильтрации. Впервые в условиях аэрируемой биофильтрации наряду с нитрифицирующими бактериями качественно и количественно идентифицированы анаэробные микроорганизмы - денитрифицирующие и анаммокс-бактерии, участвующие в процессах комплексной биотрансформации соединений азота.

5. Оценена возможность использования системы доочисгки сточных вод от биогенных элементов растениями р. СегаюрИуЧит. Выя&пен совместный вклад макрофитов и нитрифицирующего микробиоценоза, формируемого на поверхности растений, в удалении аммонийного азота до 99,9 %, азота нитритов - до 99 %, азота нитратов - в среднем 40 %, а также фосфатов - в среднем 39 %. Получены количественные результаты возможного поглощения нитратов и фосфатов единицей биомассы растений р. Сегшор!гуНит в периодических и непрерывных условиях доочисгки.

Основные публикации по теме диссертации

• в рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации:

1. Кирилина, Т.В. Биофильтрация сточных вод для комплексного удаления органических веществ и аммонийного азота / Т.В. Кирилина, A.C. Сироткин, Г.И. Шагинурова, Л.И. Сейтвапова // Экология и промышленность России. - 2010. - № 9. - С. 14-17.

2. Кирилина, Т.В. Оценка условий процесса биофильтрации сточных вод для глубокого удаления соединений азота и фосфора / Т.В. Кирилина, A.C. Сироткин, Л.И. Сейтвапова, Т.Х. Чан, H.X.K. Он // Вода: химия и экология. - 2011. - № 1. - С. 24-28.

3. Кирилина, Т.В. Доочистка сточных вод от соединений азота и фосфора погруженными макрофитами / Т.В. Кирилина, A.C. Сироткин, Т.Т.Х. До // Вода: химия и экология. - 2011. - № 7. - С. 33-38.

■ в других научных журналах, а также в материалах конференций:

4. Семенова, E.H. Высокоэффективная биофильтрация для комплексной биотрансформации соединений азота / E.H. Семенова, И.В. Никитина, Т.В. Кирилина // Инженерные науки - защите окружающей среды: сборник трудов Всероссийской студенческой научно-технической школы-конференции. - Тула, 2006. - С. 113-116.

5. Кирилина, Т.В. Исследование нитрифицирующей биопленки в условиях периодического культивирования / Т.В. Кирилина, И.В. Никитина, A.C. Сироткин // Жить в XXI веке: материалы конкурса студенческих научно-исследовательских работ IV Республиканской школы студентов и аспирантов. - Казань, 2006. - С. 216.

6. Кирилина, Т.В. Оценка микробной активности нитрифицирующих бактерий биопленки и активного ила / Т.В. Кирилина, И.В. Никитина, E.H. Семенова, A.C. Сироткин // Пищевые технологии: сборник тезисов докладов Общероссийской конференции молодых ученых с международным участием. - Казань, 2006. - С. 136-137.

7. Сироткин, A.C. Нитрифицирующая а;сгивность микробных сообществ ила и биопленки / A.C. Сироткин, E.H. Семенова, Т.В. Кирилина, И.В. Никитина // Биотехнология: состояние и перспективы развития: материалы IV Московского международного конгресса( Ч. 2). - М., 2007. - С. 126.

8. Староверова, И.В. Оценка биологической активности иммобилизованных культур нитрифицирующих микроорганизмов / И.В. Староверова, Т.В. Кирилина, A.C. Сироткин, E.H. Семенова // Междисциплинарные исследования в области естественных наук: сборник тезисов I городской студенческой конференции. - Казань, 2008. - С. 39.

9. Кирилина, Т.В. Биологическая активность иммобилизованных форм нит-рификаторов / И.В. Староверова, E.H. Семенова, A.C. Сироткин // Пищевые технологии и биотехнологии: сборник тезисов IV Международной конференции молодых ученых. - Казань, 2008. - С. 229.

10. Кирилина, T.B. Формирование биопленок и межклеточные коммуникации в процессах развития микробных агрегатов / Т.В. Кирилина, Г.И. Шагинурова, A.C. Сироткин // Инновационные подходы к естественнонаучным исследованиям и образованию: материалы научно-практической конференции. - Казань, 2009. - С. 218-221.

11. Кирилина, Т.В. Исследование сообществ азоттрансформируюших микроорганизмов в процессах биофильтрации сточных вод / Т.В. Кирилина, Л.И. Сейтвапова, A.C. Сироткин, Г.И. Шагинурова // Журнал Экологии и промышленной безопасности (Вестник Татарстанского отделения Российской Экологической Академии). - 2009. - №3. - С. 8.

12. Кирилина, Т.В. Экзобиополимеры как ключевые компоненты микробных агрегатов в биологических очистных системах / Т.В. Кирилина, Г.И. Шагинурова, A.C. Сироткин // Кирпичниковские чтения. Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений: сборник тезисов докладов 13 международной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов. - Казань, 2009. - С. 344.

13. Кирилина, Т.В. Формирование микробных сообществ биопленки в процессах биотрансформации соединений азота в сточных водах / Т.В. Кирилина, Л.И. Сейтвапова, A.C. Сироткин, Г.И. Шагинурова И Академический журнал Западной Сибири. - 2009. - № 4. - С. 6-7.

14. Кирилина, Т.В. Биологическое удаление биогенных элементов из сточных вод в процессе их биофильтрации и доочистки высшими водными растениями / Т.В. Кирилина, Л.И. Сейтвапова, H.X.K. Он, Т.Т.Х. До, A.C. Сироткин // Пищевые технологии: сборник тезисов докладов XI Международной конференции молодых ученых. - Казань, 2010. - С. 54.

15. Ккрилина, Т.В. Анализ пространственного распределения микроорганизмов в биофильтре для удаления органических веществ и аммонийного азота / Т.В. Кирилина, Л.И. Сейтвапова, A.C. Сироткин, Г.И. Шагинурова И Биотехнология: экология крупных городов: материалы Московской международной научно-практической конференции. - М., 2010. - С. 334-335.

Соискатель

Т.В. Кирилина

Заказ

Тираж 80 экз.

Офсетная лаборатория КНИТУ 420015 г. Казань, ул. К. Маркса, 68

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Кирилина, Татьяна Владимировна

Введение

Глава 1 Аналитический обзор литературы

1.1 Характеристика коммунально-бытовых сточных вод

1.2 Процессы биологического удаления азота из сточных вод

1.2.1 Аммонификация

1.2.2 Нитрификация

1.2.3 Денитрификация

1.2.4 Анаэробное окисление аммония (АКАММОХ-процесс) 24 1.2.4.1 Процессы трансформации азота на основе АМАММОХ -процесса

1.3 Процессы биологического удаления фосфора из сточных вод

1.4 Биофильтрация для очистки сточных вод от основных биогенных 35 элементов

1.4.1 Иммобилизация как способ повышения активности биомассы

1.4.2 Удаление соединений азота в процессе биофильтрации

1.4.3 Удаление фосфатов в процессе биофильтрации

1.5 Доочистка сточных вод макрофитами

Глава 2 Объекты и методы исследований

Глава 3 Анализ факторов обеспечения эффективности очистки сточной 56 воды от соединений углерода, азота и фосфора в процессе биофильтрации сточных вод

3.1 Расчет лабораторной биофильтрационной установки

3.2 Описание экспериментальной установки

3.3 Исследование влияния времени пребывания воды в биофильтре 58 на эффективность удаления биогенных элементов

3.3.1 Постановка эксперимента

3.3.2 Непрерывная биофильтрация сточных вод при различных 59 значениях времени пребывания

3.4 Исследование влияния режимов аэрации на эффективность 61 удаления биогенных элементов в процессе биофильтрации

3.4.1 Постановка эксперимента

3.4.2 Непрерывная биофильтрация сточных вод в условиях различных 63 режимов аэрации

Глава 4 Непрерывное культивирование микроорганизмов биопленки в 67 процессе биофильтрации сточных вод

4.1 Описание экспериментальной установки

4.2 Исследование процессов биотрансформации соединений 68 углерода, азота и фосфора в процессе непрерывной биофильтрации

4.2.1 Постановка эксперимента

4.2.2 Биотрансформация соединений углерода, азота и фосфора в 68 процессе непрерывной биофильтрации

4.2.3 Идентификация микроорганизмов, участвующих в процессе 84 биотрансформации соединений азота в процессе биофильтрации

Глава 5 Доочистка сточных вод макрофитами

5.1 Описание экспериментальной установки

5.2 Постановка эксперимента

5.3 Обсуждение результатов

Введение Диссертация по биологии, на тему "Биоконверсия соединений азота и фосфора в процессе биофильтрации сточных вод и их доочистки погруженными макрофитами"

Современные тенденции к увеличению концентрации населения в больших городах и количества индивидуальных домов и коттеджей естественно отражаются на объемах образуемых коммунально-бытовых отходов. В то же время существует проблема невозможности, ввиду своего размещения, подключения малых населенных пунктов и жилых комплексов к центральным канализационным сетям и очистным сооружениям. При этом неочищенные и недостаточно очищенные сточные воды являются основными источниками загрязнения природных водоемов, которые в свою очередь используются для бытовых, промышленных и рекреационных нужд.

Способности естественных водоемов к самоочищению не безграничны, и рассчитывать на них при современных масштабах развития промышленности, сельского хозяйства и активной деятельности человека не приходится. Поэтому вопросы рационального использования водных ресурсов и охраны водоемов от загрязнения сточными водами остаются весьма актуальными [1,2].

Постоянными компонентами коммунально-бытовых сточных вод являются органические вещества и биогенные элементы.

Легкоокисляемые органические соединения обусловливают развитие микроорганизмов, в том числе патогенных, в .результате чего водоемы замедленного водообмена превращаются в очаги инфекций. Кроме того разложение органических веществ (и химическое, и микробиологическое) сопровождается снижением концентрации растворенного кислорода в водоемах, что приводит к заморам рыб и невозможности нормального функционирования микробиологических сообществ [3].

Среди биогенных элементов особого внимания заслуживают соединения азота и фосфора, поскольку их избыточное поступление в водные объекты приводит к эвтрофированию последних. Лимнологические исследования зарегистрировали возникновение эвтрофикации при концентрации растворенных неорганических соединений азота и фосфора в водоемах в л 7 количествах, превышающих 0,3 мг/дм и 0,015 мг/дм , соответственно [4,5].

В результате эвтрофирования в водоемах происходит нарушение процессов саморегуляции в биоценозах, начинают доминировать хлорококковые водоросли и цианобактерии, вызывая «цветение» воды. Побочными эффектами этого процесса являются повышение рН, уменьшение содержания растворенного кислорода, создание анаэробных зон в нижних слоях водоемов с выделение метана, сульфидов, продуцирование цианобактериями токсинов и фенольных соединений, ухудшение эстетической привлекательности водоемов в следствие застоя и почернения воды [5]. Все это также приводит к возникновению заморных явлений у рыб, обуславливает невозможность использования воды в качестве питьевой, создает помехи в водопользовании, способствует образованию биологических обрастаний в технологических аппаратах и коммуникациях, осложняет эксплуатацию оборудования. Отмечено, что затраты на очистку таких эвтрофированных вод резко возрастают.

Кроме того, разнообразные соединения азота и фосфора оказывают вредное воздействие на гидробионтов и здоровье человека [4].

Присутствие аммония в концентрациях порядка 1 мг/дм токсично для рыб [6]. При взаимодействии аммонийного азота с активным хлором в процессе хлорирования очищенных сточных вод образуются токсичные и мутагенные соединения - хлорамины.

Нитраты, попадая в желудочно-кишечный тракт с питьевой водой и продуктами питания, редуцируют в нитриты, быстро всасываются в кровь, концентрируясь в эритроцитах, обладают выраженной способностью окислять гемоглобин эритроцитов с образованием метгемоглобина, не способного снабжать ткани кислородом, в результате чего развивается гипоксия у человека и рыб. Кроме того, нитраты в питьевой воде претерпевают химические превращения, при которых могут образовываться нитрозамины — вещества, обладающие высоким канцерогенным воздействием.

Фосфаты малотоксичны, их летальная концентрация для дафний довольно л высока — 2,0 г/дм [7]. Однако фосфаты значительно способствуют возникновению «цветения» природных водоемов.

Все перечисленное обусловливает повышенные требования к обеспечению удаления органических веществ и биогенных элементов из сточных вод и жесткие нормативы, установленные на содержание соединений углерода, азота и фосфора в сточных водах, сбрасываемых в водные объекты [8].

Таблица 1 - Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ [4,8,9]

Виды водопользования и водопотребления

Показатель Хозяйственно- Культурно- Рыбопитьевое бытовое хозяйственное

Биологическое потребление кислорода (БГЖполн), мг/дм3 3,0 6,0 3,0

Химическое потребление кислорода (ХПК), мг/дм до 15,0 до 30,0

Азот аммонийный, мг/дм 2,0 1,0 0,39

Азот нитритов, мг/дм 0,9 0,8 0,02 л Азот нитратов, мг/дм 10,2 10,2 9,1

5 Мочевина, мг/дм - - 3

Фосфаты, мг/дм 0,3 водоемы: олиготрофные мезотрофные эвтрофные - 0,04 ОД 0,2

Полифосфаты(в пересчете на фосфаты), мг/дм 3,5 3,5

Установлено, что удаление из сточных вод одного из основных биогенных элементов, азота или фосфора, приводит к предотвращению процесса цветения воды в водоеме, куда сбрасываются эти сточные воды [4]. Однако перед очистными сооружениями ставятся задачи достижения установленных жестких норм на сброс в водоемы загрязняющих веществ, что предполагает организацию эффективной комплексной очистки стоков.

В настоящее время приоритетным направлением в области исследования процессов очистки сточных вод является выявление закономерностей процессов биологического превращения субстрата с анализом условий развития различных групп микроорганизмов в биоценозе очистного сооружения и, как следствие, разработка новых перспективных биотехнологий очистки сточных вод [9-13].

Возможность создания различных условий культивирования микроорганизмов для осуществления сложных многостадийных процессов биологического потребления азота и фосфора, а также реализация современных тенденций к созданию компактных и эффективных систем водоочистки обусловливают преимущества использования биофильтрационных процессов в качестве самостоятельной ступени очистки, а также в сочетании с доочисткой сточных вод,высшими водными растениями [14-21].

Таким образом, очевидный научный и практический интерес представляет исследование процессов биоконверсии соединений углерода, азота и фосфора в биотехнологиях глубокой очистки коммунально-бытовых сточных вод с использованием иммобилизованной биомассы и высших водных растений, что и явилось целью данной работы.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• оценить эффективность очистки коммунально-бытового стока в процессе биофильтрации при различных значениях времени пребывания воды в системе и режимах аэрации;

• исследовать непрерывный процесс биофильтрации коммунально-бытового стока с анализом • биоконверсии на основании данных о кинетике роста биомассы, дыхательной активности микробных клеток, потреблении субстрата и накоплении продуктов метаболизма;

• оценить эффективность доочистки сточных вод погруженными макрофитами p. Ceratophyllum;

Работа выполнена при поддержке аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки Российской Федерации "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 г.г.)" и научно-исследовательской стипендии Германской службы академических обменов (БААБ) (2010-2011 г.г.).

Автор выражает благодарность профессору Сироткину Александру Семеновичу за научное руководство и поддержку, доценту Мартину Денеке за научные консультации и создание комфортных условий работы, а также коллективу кафедры промышленной биотехнологии Казанского национального исследовательского университета за участие и оказание помощи на всех этапах выполнения диссертационной работы.

Заключение Диссертация по теме "Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)", Кирилина, Татьяна Владимировна

Результаты исследования пространственного распределения авто- и гетеротрофных микроорганизмов в биофильтрационной системе явились основанием для выработки рекомендаций по модернизации промышленных биофильтров на ОКС «Крутушка» с обеспечением глубокого удаления органических веществ и взвешенных веществ, а также комплексной биотрансформации соединений азота (Приложение Б).

Заключение

По результатам диссертационной работы были сделаны следующие основные выводы:

3. Исследован непрерывный процесс очистки коммунально-бытовых сточных вод в аэрируемых биофильтрах с затопленным слоем загрузки с эффективностью удаления органических веществ до 98 %, аммонийного азота до 99,6 %, фосфатов - в среднем 41 %. На основании данных о кинетике роста биомассы, дыхательной активности микробных клеток, потреблении субстрата и накоплении продуктов метаболизма выявлены закономерности изменения эффективности удаления фосфатов и аммонийного азота в процессе непрерывной биофильтрации, связанные с первоначальным накоплением биомассы в системе, изменением нагрузки по БПК, аммонийному азоту, а также естественным смещением зон развития биоценозов в условиях длительной биофильтрации.

5. Оценена возможность использования системы доочистки сточных вод от биогенных элементов растениями р. СегШоркуПит. Выявлен совместный вклад макрофитов и нитрифицирующего микробиоценоза, формируемого на поверхности растений, в удалении аммонийного азота до 99,9 %, азота нитритов -до 99 %, азота нитратов — в среднем 40 %, а также фосфатов — в среднем 39 %. Получены количественные результаты возможного поглощения нитратов и фосфатов единицей биомассы растений р. СегШорЬуЫит в периодических и непрерывных условиях доочистки.

Список использованных сокращений

ПДК - предельно допустимая концентрация ХПК - химическое потребление кислорода БПК - биологическое потребление кислорода

FISH — флуоресцентная in situ гибридизация (Fluorescence in situ Hybridization)

ANAMMOX - процесс анаэробного окисления аммония (ANaerobic AMMonium Oxidation)

SHARON - процесс высокоэффективного удаления аммония, опосредованного с биоокислением до нитритов в отдельном реакторе (Single reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite)

CANON - процесс полного автотрофного удаления азота, опосредованного с окислением до нитритов (Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite)

DEAMOX - процесс биоокисления аммония, сопряженного с денитрификацией (Denitrifying Ammonia Oxidation)

EBPR - процесс глубокого биологического удаления фосфора (Enhanced Biological Phosphorus Removal)

AOM - аммонийокисляющие микроорганизмы

НОМ - нитритокисляющие микроорганизмы

ФАО - фосфатаккумулирующие организмы

АСБ - абсолютно сухая биомасса

АТФ - аденозинтрифосфат

ПНО - полимерные насыщенные оксикислоты

ЛЖК - летучие жирные кислоты

ВВР - высшие водные растения

DAPI - 4',6' - диамидино-2-фенилиндолдигидрохлорид

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Кирилина, Татьяна Владимировна, Казань

1. Лещинская, И.Б. Микробная биотехнология / И.Б. Лещинская. Казань: Унипресс: ДАС, 2000. - 368 с.

2. Егорова, Т.А. Основы биотехнологии: учеб. пособие для высш. пед. учеб. заведений / Т.А. Егорова, С.М.Клунова, Е.А. Живухина. М.: Академия, 2005.-208 с.

3. Зилов, Е.А. Химия окружающей среды: учебное пособие / Е.А. Зилов. -Иркутск: Иркут. ун-т, 2006. 148 с.

4. Жмур, Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками / Н.С. Жмур. — М.: Акварос, 2003.-512 с.

5. Duncan, М. The Handbook of Water and Wastewater Microbiology / M. Duncan, H. Nigel. London: Academic Press, 2003. - 628 p.

6. Хараева, Г.И. Экологический мониторинг: учебное пособие / Г.И. Хараева. Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2004. - 77 с.

7. Метелев, В.В. Водная токсикология /В.В. Метелев. -М.: Колос, 1971. 247 с.

8. Перечень рыбохозяйственных нормативов: предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. М.: Изд-во ВНИРО, 1999. — 304 с.

9. Кузнецов, А.Е. Научные основы экобиотехнологии: учеб. пособие: в 2 т. Т.1 / А.Е. Кузнецов, Н.Б. Градова. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.-629 с.

10. Хенце, М. Очистка сточных вод / М. Хенце М.: Мир, 2004. - 480 с.

11. Баженов, В.И., Проектирование современных комплексов биологической очистки сточных вод / В.И. Денисов, A.A. Баженов // Экология и промышленность России. 2009. — № 2. - С. 26-31.

12. Мишуков, Б.Г. Удаление азота и фосфора на очистных сооружениях городской канализации / Б.Г. Мишуков, Е.А. Соловьева — СПб.: ЗАО «Водопроект-Гипрокоммунводоканал», 2004. — 72 с.

13. Мишуков, Б. Г. Технологии и схемы биологического удаления азота и фосфора из городских сточных вод / Б.Г. Мишуков, Е.А. Соловьева, М.П. Попов // Вода: химия и технология. — 2007. — № 1. — С. 15-20.

14. Fdz-Polanco, F. Spatial distribution of heterotrophs and nitrifiers in a submerged biofilter for nitrification / F. Fdz-Polanco, E. Mendez, M.A. Uruena // Water Research. -2000. Vol. 34. - No. 16. - PP. 4081-4089.

15. Okabe, S. Spatial microbial distribution of nitrifiers and heterotrophs in mixed-population biofilms / S. Okabe, K. Hiratia, Y. Ozawa, Y. Watanabe // Biotechnology and bioengineering. 1996. - Vol. 50. - No. 1. - PP. 24-35.

16. Кузнецов, A.E. Научные основы экобиотехнологии: учеб. пособие.: в 2 т. Т.2 / А.Е. Кузнецов, Н.Б. Градова. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.-485 с.

17. Савельева, JI.C. Очистка сточных вод на биоплато / JI.C Савельева., А.Н. Эпов // Экология и промышленность России. 2000. - № 8. - С. 26-28.

18. Кравец, В.В. Высшая водная растительность как элемент очистки промышленных сточных вод / В.В. Кравец, Л.Б. Бухгалтер, А.П. Акользин, Б.Л. Бухгалтер // Экология и промышленность России. 1999. - № 8. - С. 20-23.

19. Крот, Ю.Г. Использование высших водных растений в биотехнологияхочистки поверхностных и сточных вод / Ю.Г. Крот //

20. Гидробиологический журнал. 2006. — Т. 42. - № 1. — С. 47-58.

21. Вайсман, Я.И. Использование водных растений для доочистки сточных вод / Я.И. Вайсман, JI.B. Рудакова, Е.В. Калинина // Экология и промышленность России. 2006. - № 11. - С. 9-11.

22. Большая советская энциклопедия: в 30-ти т. Т. 24, кн.1 / под ред. А. М. Прохорова. -М.: Советская энциклопедия, 1976. 608 с.

23. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 72 с.

24. Терентьев, В.И. Биотехнология очистки воды. В 2-х ч. Ч. 1. / В.И. Терентьев, H.M. Павловец. СПб.: Гуманистика, 2003. - 272 с.

25. Семенова, Е.Н. Процессы биотрансформации азота в технологиях ••■ очистки сточных вод / Е.Н. Семенова, А.С. Сироткин // Вестник Казанского государственного технологического университета. — 2008. — №1-С. 42-51.

26. Kadlec, R.H. Treatment wetlands / R.H. Kadlec, ILL. Knight. -Florida, 1996. 893 p. .

27. Шлегель, F. Общая микробиология / Г. Шлегель. М.: Мир, 1987. - 567 с.

28. Reddy, K.R. Nitrogen transformations and loss in flooded soils and sediments / K.R. Reddy, W.H. Patrick // Critical Reviews in Environmental Control. -1984. -No. 13 -PP. 273-309.

29. Vymazal, J. Removal of nutrients in various types of constructed wetlands. Algae and element cycling in wetlands/ J. Vymazal // Science of the Total Environment. Chelsea, Michigan: Lewis Publishers. - 1995. - 698 p.

30. Reddy, K.R. Biogeochemical indicators to evaluate pollution removal efficiency in constructed wetlands / K.R. Reddy, E.M. D'Angelo // Water Science and Technology 1997. - Vol. 35. - No. 5. - PP. 1-10.

31. Tanner, C.C. Nitrogen processing gradients in subsurface-flow treatment wetlands / C.C. Tanner, R.H. Kadlec, M.M. Gibbs, J.P.S. Sukias, L.M. Nguyen // Ecological Engineering. 2002. -Vol. 18. -PP. 499-520.

32. Environmental Biotechnology: Concepts and Applications / Ed. by H.-J. Joerdening and J. Winter. Weinheim: Wiley-VCH VErlag GmbH & Co. KGaA, 2005. - 463 p.

33. Емцев, В.Т. Микробиология / В.Т. Емцев, Е.Н. Мишустин. М.: Дрофа, 2005. - 445 с.

34. Гусев, М.В. Микробиология: учебник для студ. биол. Специальностей вузов / М.В. Гусев, JI.A. Минеева. М.: Академия, 2006. - 464 с.

35. Nielsen, Р.Н. FISH Handbook for Biological Wastewater Treatment. Identification and quantification of microorganisms in activated sludge and biofilms by FISH / P.H. Nielsen, H. Daims, H. Lemmer. London: IWA Publishing, 2009. - 123 p.

36. Gieseke, A. In situ substrate conversion and assimilation by nitrifying bacteria in a model biofilm / A. Gieseke, J.L. Nielsen, R. Amann, P.H. Nielsen, D.D. Beer // Environmental Microbiology. 2005. — Vol. 7. - No. 9. -PP. 1392-1404.

37. Wagner, M. In situ analysis of nitrifying bacteria in sewage treatment plants / M.C. Wagner, G. Rath, H.-P. Koops, J. Flood, R. Amann // Water Science and Technology. 1996. - Vol. 34. - No. 1. - PP. 237-244.

38. Лысак, B.B. Микробиология: учеб. пособие / B.B. Лысак. Минск: БГУ, 2007. - 426 с.

39. Артамонова, В.В. Основы технологии пищевых производств / В.В. Артамонова. М.: Пищевая промышленность, 1978. - 384 с.

40. Семенова, Е.Н. Микробная трансформация соединений азота в процессе биофильтрации сточных вод: дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук // Е.Н. Семенова. — Казань, 2008. 136 с.

41. Сидоренко, О.Д. Микробиология / О.Д.Сидоренко М:: ИНФРА-М,2005.-287 с.

42. Sudarno, U. Nitrification in fixed-bed reactors treating saline wastewater / U. Sudarno, S. Bathe, J. Winter, C. Gallert // Applied Microbiology and Biotechnology. 2010. - Vol. 85. - PP. 2017-2030.

43. Vadivelu, V.M. Effect of free ammonia and free nitrous acid concentration on the anabolic and catabolic processes of an enriched Nitrosomonas culture / V.M. Vadivelu, J. Keller, Z. Yuan // Biotechnology and Bioengineering. —2006. No. 5. - PP. 830-839.

44. Villaverde, S. Nitrifying biofilm acclimation to free ammonia in submerged biofilters. Start-up influence / S. Villaverde, F. Fdz-Polanco, P.A. Garciaa // Water Research. 2000. - Vol. 34. - No. 2. - PP. 602-610.

45. Campos, J.L. Stability of a nitrifying activated sludge reactor / J.L. Campos, J.M. Garrido, A. Mosquera-Corral, R. Mendez // Biochemical Engineering Journal. 2007. - Vol. 35. - PP. 87-92.

46. Кориневская, В.Ю. Трансформация неорганических соединений азота в процессе очистки сточных вод на очистных сооружениях г. Б-Днестровского / В.Ю. Кориневская // Вюник Одеського державного еколопчного ушверситету. 2008. — № 6. - С. 14-20.

47. Stenstron, V.K. Effects of oxygen transport limitation on nitrification in the activited sluge process / V.K. Stenstron // Journal of the Water Pollution Control Federation. 1991. - Vol. 63. - No. 3. - P. 34-35.

48. Sharma, B. Nitrification and Nitrogen removal / B. Sharma, R.G. Ahlert // Water Research. 1977. - Vol. 11. - PP. 897-925.

49. Tarre; S. High-rate nitrification at low pH in suspended- and attached-biomass reactors / S. Tarre, M. Green // Applied and Environmental Microbiology. -2004. Vol. 70. - PP. 6481-6487.

50. Willke, T. Nitrification in PVAL beads: influence of pH and temperature on nitrite oxidation, immobilized cells: basics and applications / T. Willke, K.D. Vorlop // Elsevier Science B. 1996. - No. 5. - PP. 718-724.

51. Joo, H.-S. Nitrification and denitrification in high-strength ammonium by Alcaligenes faecalis / H.-S. Joo, M. Hirai, M. Shoda // Biotechnology Letters. 2005. - No. 27. - PP. 773-778.

52. Balows, A. The prokaryotes. A handbook on the biology of bacteria: ecophysiology, isolation, identification, applications / A. Balows, H.G. Truper, M. Dworkin, W. Harder, K.-H. Schleifer. New York: SpringerVerlag, 1992.-2067 p.

53. Juretschko, S. / S. Juretschko, A. Loy, A. Lehner, M. Wagner // Systematic and Applied Microbiology. 2002. - Vol. 25. - No. 1. - PP. 84-99.

54. Wagner, M. Bacterial community composition and function in sewage treatment systems / M. Wagner, A. Loy // Current Opinion Biotechnology. -2002.-Vol. 13.-PP. 218-227.

55. Akunna, J.C. Nitrate and nitrite reductions with anaerobic sludge using various carbon sources: glucose, glycerol, acetic acid, lactic acid and methanol / J.C. Akunna, C. Bizeau, R. Moletta // Water Research. 1993. -No. 27. — PP. 1303-1312.

56. Tam, N.F.Y. Effect of exogenous carbon sources on removal of inorganic nutrients by the nitrification denitrification process / N.F.Y. Tam, Y.S; Wong, G. Leung // Water Research. 1992. - No. 26. - PP. 1229-1236.

57. Гончарук, B.B. Современные проблемы технологии подготовки питьевой воды / В.В. Гончарук, Н.А. Клименко // Химия и технология воды. 2006. -Т. 28.-№ 1-С. 42-45.

58. Невлева, О.С. Методы удаления нитратов из природных и питьевых вод / О.С. Невлева, В.В. Гончарук // Химия и технология воды. 2006. - Т. 28. - № 3. - С. 265-267.

59. Abeling, U. Anaerobic-aerobic treatment of high strength ammonium wastewater nitrogen removal via nitrite / U. Abeling, C.F. Seyfried // Water Science Technology. - 1992. - Vol. 26. - No. 5-6. - PP. 1007-1015.

60. Анюшева, М.Г. Анаэробное окисление аммония: микробиологические, биохимические и биотехнологические аспекты / М.Г. Анюшевад С.В. Калюжный // Успехи современной биологии. 2007. - Т. 127. - № 1. -С: 34-43.

61. Van Dongen, U. The SHARON-Anammox process for treatment of ammonium rich wastewater / U. Van Dongen, M.S.M. Jetten, M.C.M. Loosdrecht // Water Science and Technology. 2001. - Vol. 44. - PP. 153-160.

62. Михайловская, M.B. АНАММОКС как метод удаления соединений азота из сточных вод и перспективы его применения в Украине / М.В. Михайловская // Химия и технология воды. - 2008. - Т. 30. - № 6. - С. 675-683.

63. Cho, S. Development of a simultaneous partial nitrification and anaerobic ammonia oxidation process in a single reactor / S. Cho, N. Fujii, T. Lee, S. Okabe // Bioresource Technology. 2011. - Vol. 102. - PP. 652-659.

64. Mulder, A. Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor / A. Mulder, A.A van de Graaf, L.A. Robertson, J.G. Kuenen // FEMS Microbiology Ecology. 1995. - No. 16. - PP. 177-184.

65. Fuerst, J.A. The planctomycetes: emerging models for microbial ecology, evolution and cell biology / J.A. Fuerst // Microbiology. 1995. - Vol. 141. — PP. 1493-1506.

66. Kuypers, M.M.M. Anaerobic ammonium oxidation by anammox bacteria in the Black Sea / M.M.M. Kuypers, A.O. Sliekers, G. Lavik, M. Schmid, B.B. Jorgensen, J.G. Kuenen, J.S. Damste, M. Strous, M.S.M. Jetten // Nature. -2003. Vol. 422. - PP. 608-611.

67. Schmid, M. Candidatus "Scalindua brodae", sp. nov., Candidatus "Scalindua wagneri" two new species of anaerobic ammonium oxidizing bacteria / M. Schmid, K. Walsh, R.I. Webb, W.I.C. Rijpstra, K.T. Van de Pas-Schoonen,

68. MJ. Verbruggen, T. Hill, B. Moffert, J.A. Fuerst, S. Schouten, J.S. Sinninghe Damstii, J. Harris, P. Shaw, M.S.M. Jetten, M. Strous // Systematic and Applied Microbiology. 2003. - Vol. 26. - PP. 529-538.

69. Peng, Y. Biological nitrogen removal with nitrification and denitrification via nitrite pathway / Y. Peng, G. Zhu // Applied Microbiology and Biotechnology 2006. - Vol. 73. - PP. 15-26.

70. Hwang, B.-H. Enhanced nitrite build-up in proportion to increasing alWinity/NH/ ratio of influent in biofilm reactor / B.-H. Hwang, K.-Y. Hwang, E.-S. Choi, D.-K. Choi, J.-Y. Jung // Biotechnology Letters. 2000. - Vol. 22. -PP. 1287-1290.

71. Picioreanu, C. Modeling the effect of oxygen concentration on nitrite accumulation in a biofilm airlift suspension reactor / C. Picioreanu, M. van Loosdrecht, J. Heijnen // Water Science and Technology. 1997. - Vol. 36. — PP. 147-156.

72. Zheng, X.-S. Change of microbial populations in a suspended-sludge reactor performing completely autotrophic N-removal / X.-S. Zheng, H. Yang, D.-T. Li // World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2005. - Vol. 21. -PP. 843-850.

73. Shanableh, A. Effect of cycle duration on phosphorus and nitrogen transformations in biofilters / A. Shanableh, D. Abeysinghe, A. Hijazi // Water Research. 1997. - Vol. 31. -No. 1. - PP. 149-153.

74. Seviour, R.J. The microbiology of biological phosphorus removal in activated sludge systems / R.I. Seviour, T. Mino, M. Onuki // FEMS Microbiology

75. Reviews. 2003. - Vol. 27. - PP. 99-127.

76. Oehmen, A. Modeling the aerobic metabolism of polyphosphate-accumulating organisms enriched with propionate as a carbon source./ A. Oehmen, R.J. Zeng, J. Keller, Z. Yuan // Water Environmental Research. — 2007. — Vol. 79. — PP. 2477-2486.

77. Van Loosdrecht, C.M. Biological phosphorus removal under denitrifying conditions / C.M. van Loosdrecht, T. Kuba, G. Smolders, J.J. Heijnen // H20. — 1992. Vol. 19. - PP. 526-530.

78. Kerrn-Jesperen, J. P.Biological phosphorus release and uptake under alternating anaerobic and anoxic conditions in a fixed-film reactor / J.P. Kerrn-Jesperen, M. Henze, R. Strube // Water Research. 1994. - Vol. 28. - No. 5. -PP. 1253-1255.

79. Dulekgurgen, E. Enhanced biological phosphate removal by granular sludge in a sequencing batch reactor / E. Dulekgurgen, S. Ovez, N. Artan, D. Orhon // Biotechnology Letters. 2003. - Vol. 25. - PP. 687-693.

80. Wagner, M. Microbial community composition and function in wastewater treatment plants / M. Wagner, A. Loy, R. Nogueira, U. Purkhold, N. Lee , H. Daims // Antonie van Leeuwenhoek. 2002. - Vol. 81. - PP. 665-680.

81. Kerrn-Jesperen, J.P. Biological phosphorus uptake under anoxic and1* aerobic and conditions / J.P. Kerrn-Jesperen, M. Henze // Water Research. 1993. -Vol. 27.-PP. 617-624.

82. Takahiro, K. Biological phosphorus removal from wastewater by anaerobic-anoxic sequencing batch reactor / K. Takahiro, G. Smolders, M. van Loosdrecht, S. Heijnen // Sewage into 2000. Part 2. 2000. - PP. 25-38.

83. Ивчатов, A.JI. Еще раз о биологической очистке сточных вод / A.JI. Ивчатов, С.Н. Гляденов // Экология и промышленность России. 2003. -№ 4. - С.37-40.

84. Iida, Y. Nitrogen removal from municipal wastewater by a single submerged filter / Y. Iida, A. Teranishi // Journal of the Water Pollution Control Federation. 1984. - Vol. 56. - PP. 251-258.

85. Сироткин, A.C. Агрегация микроорганизмов: флоккулы, биопленки, микробные гранулы / A.C. Сироткин, Г.И. Шагинурова, К.Г. Ипполитов. -Казань: КГТУ, 2006. 176 с.

86. Stewart, P.S. Diffusion in Biofilms / P.S. Stewart // Journal of bacteriology. -2003.-Vol. 185.-No. 5.-PP. 1485-1491.

87. Maier, R.H. Environmental microbiology / R.H. Maier, I.L. Pepper, C.P. Gerba. — San Diego: Academic Press, 2000. — 678 p.

88. Николаев, Ю.А. Биопленка — «город микробов» или аналог многоклеточного организма / Ю.А. Николаев, В.К. Плакунов // Микробилогия. 2007. - Т. 76. - № 2. - С. 149-163.

89. Николаев, А.Н. Очистка сточных вод до требований экологических нормативов на сброс в водоемы / А.Н. Николаев, Е.М. Крючихин // Экология и промышленность России. — 2003. — № 7. — С. 17-19.

90. Nerger, C. Nitrifikation kommunaler Abwässer durch Biofiltration / С. Nerger, V. Rehbein, P.A. Wilderer // Wasser, Luft und Boden. 1996. -№ 9.-PP. 29-32.

91. Cecen, F. Nitrification of fertilizer wastewater in a biofilm reactor / F. Cecen, E. Orak. // Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 1996. - No. 65.-PP. 229-238.

92. Flemming, H.-C. Biofilms. Investigative methods and applications. Technomic publishers / H.-C. Flemming, T. Griebe, U. Szewzyk / Lancaster, 2000. 247 p.

93. Davey, M. Microbial Biofilms: from Ecology to Molecular Genetics / M. Davey, G. O'toole // Microbiology and Molecular Biology Reviews. — 2000. — Vol. 64. No. 4. - P. 847-867.

94. Zhu, S. Effects of organic carbon on nitrification rate in fixed film biofilters / S. Zhu, S. Chen//Aquacultural Engineering.-2001.-Vol. 25.-No. l.-PP. 1-11.

95. Сироткин, A.C. Биологическая трансформация соединений азота в процессе биофильтрации сточных вод / А.С. Сироткин, Е.Н. Семенова, Г.И. Шагинурова // Биотехнология 2008. - № 3. - С .77-85.

96. Олескин, А.В. Колониальная организация и межклеточная коммуникация у микроорганизмов / А.В. Олескин, И.В. Ботвинко, Е.А. Цавкелова // Микробиология. 2000. - Т. 69. - № 3. - С. 309-327.

97. Олескин, А.В. Действие серотонина (5-окситриптамина) на рост и дифференциацию микроорганизмов / А.В. Олескин, Т.А. Кировская, И.В. Ботвинко, JI.B. Лысак // Микробиология. 1998. - Т. 67. - № 3. - С. 305-312.

98. Демаков, В.А. Иммобилизация клеток микроорганизмов: биотехнологические аспекты / В.А. Демаков, Ю.Г. Максимова, А.Ю. Максимов // Биотехнология. 2008. — № 2. - С. 30-45.

99. Иммобилизованные клетки в биотехнологии: сб. науч. тр./ под ред. К. А. Кощеенко. -Пущино: Наука, 1987. — 174 с.

100. Черногорова, А.Е. Биосорбционные явления на глауконите при нитрификации в процессе очистки сточных вод активным илом / А.Е. Черногорова, Ю.И. Сухарев, Е.О. Багриновцева // Известия Челябинского Научного Центра. 2000. - № 1 - С. 68-72.

101. Li, Z. Comparative study of the nitrification characteristics of two different nitrifier immobilization methods / Z. Li, Z. Zhang, J. Li // Biodégradation. -2009. Vol. 20. - PP. 859-865.

102. Park, J.K. Microencapsulation of microbial cells / J.K. Park, H.N. Chang // Biotechnology Advances. 2000. - Vol. 18. - PP. 303-319.

103. Gao, M. Nitrification and sludge characteristics in a submerged membrane bioreactor on synthetic inorganic wastewater / M. Gao, M. Yang, H. Li, Y. Wang, F. Pan//Desalination.-2004.-Vol. 170.-PP. 177-185.

104. Wang, L.K. Handbook of Environmental Engineering. Membrane and Desalination Technologies / L.K. Wang. — London: Academic Press, 2011. — 610 p.

105. Ling, J. Impact of organic carbon on nitrification performance of different biofilters / J. Ling, S.L. Chen // Aquacultural Engineering. — 2005. — Vol. 33. — No. 2.-PP. 150-162.

106. Kim, I.S. Activity monitoring for nitrifying bacteria by fluorescence in situ hybridization and respirometry / I.S. Kim, S.Y. Kim, A.M. Jang // Environmental Monitoring and Assessment. 2001. — Vol. 70. - PP. 223-231.

107. Tian, C.Z. Competition for substrate and space in biofilms / C.Z. Tian, Y.-C. Fu, P.L. Bishop // Water Environmental Research. — 1995. — Vol. 67. No. 6. -PP. 992-1003.

108. Stewart, P.S. Biofilm structural heterogeneity visualized by three microscopic methods / P.S. Stewart, R. Murga, R. Srinivasani, D. de Beer // Water Research. 1995. - Vol. 29. -No. 8. - PP. 2006-2009.

109. Lee, L.Y. Biofilm morphology and nitrification activities: recovery of nitrifying biofilm.particles covered with heterotrophic outgrowth / L.Y. Lee, S.L. Ong, W.J. Ng // Bioresource Technology. 2004. - Vol. 95. - No. 2. -PP. 209-214.

110. Chen, S. Nitrification kinetics of biofilm as affected by water quality factors. S. Chen, J. Ling, J. Blancheton // Aquacultural Engineering. 2006. — Vol. 34. — No. 3. — PP. 179-197.

111. Helmer, C. Simultaneous nitrification/denitrification in an aerobic biofilm system / C. Helmer, S. Kunst // Water Science and Technology — 1998. — Vol. 37.-No. 4.-PP. 183-187.

112. Han, D-W. Autotrophic nitrification and denitrification characteristics of an upflow biological aerated filter / D.-W. Han, H.-J. Yun, D.-J. Kim // Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 2001. - Vol. 76. — No. 11.— PP. 1112-1116.

113. Clifford, E. Nitrogen dynamics and removal in a horizontal flow biofilm reactor for wastewater treatment / E. Clifford, M. Nielsen, K. Sorensen, M. Rodgers // Water Research. 2010. - Vol. 44. - PP. 3819-3828.

114. Canler, J.P. Biological aerated filters: Assessment of the process based on 12 sewage treatment plants / J.P. Canler, J.M. Perret // Water Science and Technology.-1994.-Vol. 29.-No. 10-11.-PP. 13-22.

115. Яковлев, C.B. Биологические фильтры / C.B. Яковлев, Ю.В. Воронов. — М.: Стройиздат, 1982. 120 с.

116. Chiou, R.-J. The effect of recycle ratio on nitrogen removal in the combined pre-denitrification/nitrification biofilter system / R.-J. Chiou, C.-F. Ouyang // Journal of Chemical Technology and Biotechnology. — 2001. Vol. 76. -PP. 559-564.

117. Fdez-Polanco, F. Influence of design and operation parameters on the flow pattern of submerged filters / F. Fdez-Polanco, P. Garcia, S. Villaverde // Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 1994. -Vol. 61. — PP. 153-158.

118. Chen, Z.Q. Simultaneous removal of carbon and nitrogen from municipal-type synthetic wastewater using net-like rotating biological contactor (NRBC) /

119. Z.Q. Chen, Q.X. Wen, J.L. Wang, F. Li // Process Biochemistry. 2006. -Vol. 41. - No. 12. - PP. 2468-2472.

120. Rovatti, M. Phosphorus removal in a fluidized bed biological reactor / M. Rovatti // Water Research. 1995. - Vol. 29. - No. 12. - PP. 2627-2634.

121. Wang, R.C. Influence of carrier concentrationon the performance and microbial characteristics of a suspended carrier biofilm reactor / R.C. Wang, X.H. Wen, Y. Qian // Process Biochemistry. 2005. - Vol. 40. - No. 9. - PP. 2992-3001.

122. Zhu, S. An experimental study on nitrification biofilm performances using a series reactor system, / S. Zhu, S. Chen // Aquacultural Engineering. — 1999. -Vol. 20.-PP. 245-259.

123. Hu, B.-W. Experimental study on degradation law of organic matter and ammonia nitrogen in biological aerated filter / B.-W. Hu, W. Cheng, Z. Han, T. Ma / Journal of Hydraulic Engineering. Vol. 41. - No. 3. - PP. 374-378.

124. Vigne, E.A. biofiltration model for tertiary nitrification of municipal wastewaters / E. Vigne, J.-M. Choubert, J.-P. Canler, A. Heduit, K. Sorensen, P. Lessard // Water Research. 2010. - Vol. 44. - PP. 4399-4410.

125. La Cour Jansen, J. Carbon utilization in denitrifying biofilters / J. la Cour Jansen, S.-E. Jepsen , K.D. Laursen // Water Science and Technology. Vol. 29.-No. 10-11.-PP. 101-109.

126. Helness, H. Biological phosphorus and nitrogen removal in a sequencing batch moving bed biofilm reactor / H. Helness, H. Odegaard // Water science and technology. 2001. - Vol. 43. - No. 1. - PP. 233-240.

127. Lee, K.H. Simultaneous organic and nutrient removal from municipal wastewater by BSACNR process / K.H. Lee, J.H. Lee, T.J. Park // Korean Journal of Chemical Engineering. 1998. - Vol. 15. -No. 1. -PP. 9-14.

128. Lee, J.H. Removal of nitrogen and phosphorus using a new process — INRS( Innovative Nutrient Removal System) / J.H. Lee, H.U. Nam, T.J. Park // Korean Journal of Chemical Engineering. — 1999. — Vol. 16. — No. 3.-PP. 303-307.

129. Seviour, R.J. The microbiology of biological phosphorus removal in activated sludge systems / R.J. Seviour, T. Mino, M. Onuki / FEMS Microbiology. — 2003. Vol. 27. - PP. 99-127.

130. Wu, G. Distributions and activities of ammonia oxidizing bacteria and polyphosphate accumulating organisms in a pumped-flow biofilm reactor / G. Wu, M. Nielsen, K. Sorensen, X. Zhan, M. Rodgers // Water Research. 2009.- Vol. 43. PP. 4599-4609.

131. Морозов, H.B. Экологическая биотехнология: очистка природных и сточных вод макрофитами / Н.В. Морозов. Казань: Изд-во КГПУ, 2001.-396с.

132. Dawson, G.F. Grop production and sewage treatment using gravel bed hydroponic erridation / G.F. Dawson, R.F. Loveridge, D.A. Bone // Water Research. 1989. - Vol. 21. - No. 2. - PP. 57-64.

133. Горбунова, С.Ю. Использование мелиоративных свойств Ceratophyllum Demersum для доочистки сточных вод / С.Ю. Горбунова // Экология моря.2010. — № 81. —С.24-27.

134. Тарушкина, Ю.А. Высшие водные растения для очистки сточных вод / Ю.А. Тарушкина, JI.H. Ольшанская, О.Е. Мечева, А.С. Лазуткина // Экология и промышленность России. 2006. — № 5. — С.36-39.

135. Dhote, S. Water quality improvement through macrophytes — a review / S. Dhote, S. Dixit // Environmental Monitoring and Assessment. — 2009. — Vol. 152.-PP. 149-153.

136. Стольберг, В.Ф. Биоплато — эффективная малозатратная экотехнология очистки сточных вод / В.Ф. Стольберг, В.Н. Ладыженский, А.И. Спирин // Экология жизнедеятельности. — 2003. — № 3. — С. 32-34.

137. Яковлев, C.B. Водоотведение и очистка сточных вод / С.В.Яковлев, Ю.В. Воронов. M.: АСВ, 2002. - 704 с.

138. Фомин, С.Н. Очистка бытовых сточных вод ступенчатым биофильтрованием / С.Н. Фомин, М.И. Коробко. Хабаровск: ДВГУПС, 2002.-210 с.

139. Chua, H. Operation of a Novel Anaerobic Biofilter for Treating Food-Processing Wastewater / H. Chua, C.C.N. Cheng // Applied Biochemistry and Biotechnology. 1996. -Vol. 57/58. - PP. 837-843.

140. Meyer, V. Using digested sludge-clay balls as an alternative medium for trickling and/or biofilters /V. Meyer, J. Machaba, M.J. Baloyi // Materials of WIS A 2000 Biennial Conference. Sun City, 2000. - PP. 2-10.

141. DIN EN ISO 26777. Wasserbeshaffenheit. Bestimmung von Nitrit. Spektrometrisches Verfahren (ISO 6777:1984). Deutsche Fassung EN 26777:1993-11 p.

142. Лурье, Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. / Ю. Ю. Лурье. М: Химия, 1984. - 448 с.

143. Deneke, М. Effect of carbon dioxide on nitrification rates / M. Denecke, T. Liebig, T.// Bioprocess and Biosystems Engineering. 2003. - Vol .25. -No. 4. - PP. 249-253.

144. Pernthaler, J. Fluorescence in situ hubridization. Method in microbiology: marine microbiology / J. Pernthaler, F.O. Glöckner, W. Schönhuber, R. Amann. London, 2002. - 127p.

145. Нетрусов, А.И. Практикум по микробиологии: учеб. пособие для студ. Высш. Учеб. заведений / А.И. Нетрусов, М.А. Егорова, Л.М. Захарчук. -М.: Издательский центр «Академия», 2005. 608 с.

146. Кирилина, Т.В. Биофильтрация сточных вод для комплексного удаления органических веществ и аммонийного азота / Т.В. Кирилина, A.C. Сироткин, Г.И. Шагинурова, Л.И. Сейтвапова // Экология и промышленность России. — 2010. № 9. - С. 14-17.

147. Кирилина, Т.В. Оценка условий процесса биофильтрации сточных вод для глубокого удаления соединений азота и фосфора / Т.В. Кирилина, A.C. Сироткин, Л.И. Сейтвапова, Т.Х. Чан, H.X.K. Он // Вода: химия и экология. 2011. - № 1. - С. 24-28.

Информация о работе

Кирилина, Татьяна Владимировна
кандидата технических наук
Казань, 2011
ВАК 03.01.06

Диссертация

Биоконверсия соединений азота и фосфора в процессе биофильтрации сточных вод и их доочистки погруженными макрофитами - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы